SLAC升级后的X射线激光设备产生了第一束光

就在十年前的2009年4月，世界上第一台硬X射线自由电子激光(XFEL)在美国能源部的SLAC国家加速器实验室产生了第一束光。该直线加速器相干光源产生的X射线(LCLS)脉冲十亿倍比任何之前就来到光明。从那时起，它的性能就已经在许多科学领域带来了新的见解，从创建实际的化学“分子电影”到研究新一代药物的蛋白质的结构和运动以及复制产生“钻石雨”的过程，在我们太阳系的巨型行星中。

该领域的下一个重大步骤已于2013年启动，启动了LCLS-II升级项目，以将X射线激光器的功率提高数千倍，每秒产生一百万个脉冲，而如今为每秒120个。升级将在未来两年内完成。

如今，升级的第一阶段开始运行，使用新安装的设备的一个关键元件首次产生X射线束。

SLAC主任高志昌表示：“ LCLS-II项目代表了美国五个国家实验室以及大学界和能源部的许多同事的共同努力。”“今天的成功反映了持续的合作伙伴关系和协作的巨大价值，使我们能够构建独特的世界领先工具和功能。”

XFEL分为两个步骤。首先，它们将强大的电子束加速到接近光速。然后，它们使光束通过装置中被精确调谐的一系列磁铁，该装置被称为波荡器，该波荡器将电子能量转换为X射线的强烈脉冲。爆发只有十亿分之一秒长的百万分之一-如此之短，以至于它们可以捕获化学键的诞生并产生具有原子分辨率的图像。LCLS-II项目将通过使用全新的加速器(使用低温超导技术实现前所未有的重复率)以及可对X射线束进行精确控制的起伏器，来改变设施的两个要素。

强大而精确

在过去的18个月中，原始的LCLS波动器被拆除，并替换为两个具有全新功能的全新系统。这些波动器中的每一个都包含数千个延伸超过100米的磁体。它们共同产生的磁场比地球强几万倍。这样产生的力相当于几吨的重量，而与此同时，保持磁铁的结构不会变形超过人发宽度的百分之一。

新的起伏器是由DOE的Argonne国家实验室设计和原型制造的，并由Lawrence Berkeley国家实验室制造，并且在过去的一年中已安装在SLAC中。今天，这些系统中的第一个证明了其性能，可以为即将进行的实验活动做好准备。SLAC加速器控制室的科学家能够将来自现有LCLS加速器的电子束引导通过新型“硬X射线”波荡器中的磁体阵列。在仅仅几个小时的过程中，他们产生了X射线的第一个迹象，然后精确地调整了配置以实现完整的X射线激光性能。

伯克利实验室工程部主任Henrik von der Lippe说：“达到第一盏灯是我们所有人一直期待的里程碑。”“这个里程碑展示了所有的辛勤工作和协作如何形成了一个可以促进新科学发展的科学机构。”

他补充说：“伯克利实验室在硬X射线波荡器设计和制造方面的贡献利用了我们从向科学机构提供波荡器方面的经验以及我们在机械设计方面的长期实力。看到多年的专业工程部门团队交付满足所有期望的设备所取得的成果，这是令人高兴的。”

新起伏器的科学影响将是巨大的。一个主要的进步是，磁体之间的间隔可以根据需要进行更改，从而可以调整发射的X射线的波长以满足实验的需要。研究人员可以使用它来查明分子中选定原子的行为，这尤其可以增强我们跟踪先进太阳能应用中能量的流动和存储的能力。

今天展示的波荡器已针对硬X射线方案进行了优化，并将能够使LCLS产生的峰值X射线能量加倍。这将提供有关材料如何在原子级响应极端应力以及新颖的量子现象的出现的更高精度的见解。

下一步

起伏器之外是前端外壳，即FEE，其中包含一系列光学，诊断和调谐设备，可为特定实验准备X射线。其中包括世界上最平整，最光滑的镜子，它们的长度为一米，但高度随其整个表面的原子宽度而变化。在接下来的几周内，将对这些光学器件进行测试，以准备在未来六个月中由来自世界各地的研究人员进行80多次实验。

LCLS主管Mike Dunne说：“今天标志着X射线科学LCLS-II时代的开始。”“我们的近期任务将是使用这种新的起伏器调查SARS-CoV-2病毒的内部工作原理。接下来的几年中，我们的设施将发生惊人的转变。接下来将是软X射线波荡器，该波荡器经过优化，可用于研究能量在原子和分子之间的流动方式，从而研究新型能源技术的内部运作方式。除此之外，还有新的超导加速器，它将使我们的X射线功率提高数千倍。正如我们在X射线激光世界中所说的那样，未来是光明的。”