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SLAC升级版X射线激光器首次出光

2020-08-10 10:42:22 1013

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前言

在十多年前的2009年4月,世界上第一台硬X射线自由电子激光器(XFEL)在美国能源部的SLAC国家加速器实验室发出了第一束光束。LCLS产生的X射线脉冲要比以前的任何X射线光源亮上十亿倍。

从创造化学“分子电影”到研究新一代药物的蛋白质的结构和运动以及模拟产生“钻石雨”的过程,它优越的性能已经给科学领域带来了许多新的可能。

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首束光发出,第一阶段开启

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图丨LCLS使用第一个新的可变间隙波荡器产生的第一束光


该领域的下一步计划已于2013年启动,即LCLS-II升级项目,LCLS-II项目是来自美国五个国家实验室、大学研究院以及美国能源部的研究人员共同努力的结果。该项目旨在将X射线激光器的功率提高数千倍,达到每秒产生一百万个脉冲(现在的技术只能达到每秒120个)。升级计划在未来两年内完成。

如今,升级计划的第一阶段已经开始运行,LCLS首次发射出X射线。

XFEL分为两个步骤。首先,将强大的电子束加速到接近光速;然后,让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,它能将电子能量转换为强烈的X射线脉冲。


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强大而精确

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图2 在过去的18个月中,原来的LCLS波荡器系统(左)被拆除,并被两个全新的具有新功能的系统所取代(右)


新的波荡器由美国能源部的阿贡国家实验室设计原型,由劳伦斯·伯克利国家实验室制造,并在过去的一年中安装在SLAC上。

它们共同产生的磁场比地球强几万倍。其产生的力相当于几吨的重量,与此同时,此系统能保证磁铁结构变形的程度不超过头发宽度的百分之一。

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图3 软X射线波荡器中21个片段之一的图像(左)和硬X射线波荡器中32个片段之一的图像(右)


研究人员可以利用这一技术来确定分子中选定的原子的行为,这将提高目前能量流动跟踪和能量存储的能力,为先进的太阳能应用提供帮助。

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结语

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LCLS全景图:展示了波荡器大厅,前端机柜和实验大厅


总之,LCLS-II项目在未来将会在新能源技术的内部运作方式和提高X射线功率等方面提供重大帮助。

正如LCLS的Mike Dunne说:“属于X射线科学的LCLS-II时代从今天开始了。”

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