图片来源：SLAC 国家加速器实验室
SLAC 国家加速器实验室的 X 射线激光器建立在加利福尼亚州门洛帕克的 3 公里直线加速器上。
“小心碰头; 小心你的脚，”Eric Fauve 在进入一个低温植物时说道，他坐在北加州干草、桉树和橡树的景观中。“我们有响尾蛇、鹿、美洲狮——我们离这里很远。”
Fauve 是SLAC 国家加速器实验室低温装置的负责人，他指出一系列热交换器和压缩机可将氦气冷却成 4 K 的液体。液氦通过一系列泵，逐渐降低压力，使液体膨胀并膨胀。将其冷却到 2 K。它的目的地是地下 30 m，氦气将帮助冷却通过 280 号州际公路下方的 3 公里长设备的一部分，该州际公路是连接旧金山和圣何塞的附近高速公路。
该设施是 SLAC 的直线加速器相干光源 (LCLS)。这种过冷的氦气有助于光源的一个新部分，称为 LCLS-II，每秒发射破纪录的 100 万个极亮 X 射线脉冲。借助今年晚些时候定期提供的这种火力，化学家和材料科学家可以有效地减慢时间并放大原子和电子的超快、超小和极其怪异的世界。
“在飞秒的闪光中，你可以看到原子静止不动，单个原子键断裂，”斯坦福大学和 SLAC 联合任命的材料科学家Leora Dresselhaus-Marais说。Sakura Pascarelli 说，这种被称为 X 射线自由电子激光器 (XFEL) 的超亮、超快光源已经存在了十年，但它变得越来越强大。她是位于德国汉堡郊外的另一个此类来源的科学主管：欧洲 XFEL。Pascarelli 对 SLAC 当前的升级感到兴奋，并预计 LCLS 和其他此类光源在未来几年会变得更加强大。
随着这些机器观察原子和电子行为的能力得到提高，Pascarelli 预计激光最终将阐明光合作用的机制，实时观察电子在化学键形成和断裂时的运动，并帮助科学家创造新的材料类别这只会在极端条件下形成，她说，“我们所知道的化学不再发生”。
X射线的力量
X 射线自由电子激光器只是光谱学和成像中使用的一种 X 射线源。几十年来，X 射线光谱学一直帮助科学家识别和绘制晶体和分子中的原子。阿贡国家实验室和芝加哥大学的原子物理学家Linda Young说，这项技术的优势来自这部分电磁频谱的独特特性。X 射线波长极短，这意味着用这些光子轰击样品可以发现单个原子。元素以特征 X 射线波长发光，使化学家能够识别它们发现的原子。高能或“硬” X 射线也可以穿透坚硬的材料，甚至是其他波长的光无法穿透的密度极高的高能等离子体。
在 SLAC 于 2009 年启动 LCLS 之前，最亮的 X 射线源是同步加速器。这些设施沿着圆形路径加速电子并使用磁铁摆动它们，诱导电子发射 X 射线。Young说，同步加速器提供了物理学家认为相对较长的光脉冲，持续数十皮秒。这种脉冲长度限制了科学家对快速移动事件进行模糊处理的能力，限制了研究人员捕获分子和材料中较慢过程的静态图像。
帕斯卡雷利表示，这仍然不是对同步加速器的影响，同步加速器是 X 射线科学的主力军。“同步加速器对大型社区非常有用，”她说。例如，在这些设施中，生物化学家拍摄了复杂蛋白质结构的图像，例如 SARS-CoV-2 刺突蛋白，材料科学家已经检查了电池材料的纳米结构。
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保持 X 射线激光冷却需要大量的氦气，在冷却前储存在大型储气罐中。
但是 X 射线自由电子激光器正在突破 X 射线成像的极限。当 SLAC 打开 LCLS 时，它立即成为世界上最亮的 X 射线源。其他机器紧随其后，包括欧洲 XFEL 以及在日本、瑞士和韩国制造的机器。中国也在建造一个。
与同步加速器源一样，这些激光器使用波动的磁铁来摆动高能电子并诱导它们发光。但在自由电子激光器中，电子以接近光速的紧凑束状聚集。当它们摆动时，它们会在相对较长的距离内与它们发射的光子保持耦合。这种相互作用使光变得高度相干，这是所有激光的特性。一旦他们完成了他们的工作，电子就会用磁铁从激光束中分离出来。结果是一束非常短、非常明亮、波长可调的 X 射线脉冲。
自从这些光源在过去十年上线以来，化学家们利用它们强大的脉冲制作了碳和氧之间化学键形成的分子电影，确定了形成晶体的小分子的结构，这些晶体太小而无法用其他方法绘制，观察光合酶的作用，并模拟行星内部钻石的形成。
升级
LCLS 目前每秒产生 120 个 X 射线脉冲，能量从大约 200 eV 到大约 11 keV。(X 射线束通常用能量而不是波长来描述——能量越高，波长越短。)随着今年晚些时候上线的升级，该设施将产生两束光束，其中一束最多 1每秒百万个脉冲，能量达到约 5 keV，一个以原始脉冲速率最高可达 25 keV 左右。升级还将使科学家能够更好地调整产生的 X 射线的能量。
这些升级主要集中在操纵电子束的设备上。LCLS 的电子束来自于 1962 年在加利福尼亚州门洛帕克开始运行的大型粒子加速器。在最初的 LCLS 中，来自加速器的电子束在室温下通过铜管内的真空发射。通过铜泵浦的电流会产生波动的电磁场，在电子行进时为电子注入越来越多的能量。但铜只能导电这么多，因此必须打开和关闭这些铜腔以防止损坏，将 X 射线激光的速率限制为每秒 120 个脉冲。
LCLS-II 的升级使得产生额外的光束成为可能。铜线的一部分已被超导空腔所取代，该空腔由 3 毫米厚的掺氮铌片制成，形成肋管，看起来像棍子上的甜甜圈。从 Fauve 的低温装置中泵出的液氦将这些空腔冷却到 2 K，即材料变得超导的温度。因此，这种材料可以携带更多的能量而不会受到损坏，并且激光可以保持持续运行。
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Taran Driver 使用设备来测量简单分子系统中电子的量子行为。由于拍摄照片时仪器未运行，因此不需要保护眼睛。
由于超导电子设备可以连续运行，它们可以将大量能量泵入高速电子中，从而使 LCLS-II 的脉冲速率更快。原有的铜管线路将继续运行，系统将同时提供两束X射线;这将使科学家能够在更短的时间内收集更多数据并进行新型实验。这些增强功能是在 2020 年完成的增强功能的基础上完成的，这些增强功能使用户能够调整 X 射线束的能量以进行实验，并增加了两组新的可移动的、起伏的磁铁——每组用于硬 X 射线和软 X 射线。
一些科学家已经从波荡器升级中受益。SLAC 量子物理学家 Taran Driver 利用将 X 射线束能量调整为零的能力，将样本中感兴趣的单个原子的能量调整为零。例如，他说，“我可以将光束调整到与 N 或 O 相互作用的可能性更大的光子能量。” 今年早些时候，Driver 在用 X 射线束激发分子后，使用升级后的光源来跟踪氮氧化物中电子的运动(Science 2022，DOI：10.1126/science.abj2096)。他说，在这些尺度上，研究人员可以直接观察到电子中的“幽灵般的量子效应”。他和其他科学家对量子力学如何影响光驱动过程中的电荷转移很感兴趣——他们想更多地了解量子效应如何解释，例如，为什么光合作用如此有效。
Driver 对接下来将光束的可调谐性与 LCLS-II 的高脉冲率相结合感到兴奋。他的团队设计了一种光谱仪，可以同时检测分子被 X 射线轰击时产生的电子和离子。在原始 LCLS 的较慢脉冲速率下，从统计学上无法确定两个粒子是否来自同一个分子。Driver 说，在更高的速率下，研究人员将能够做出这一决定，这将使他们能够以以前不可能的方式研究单个分子事件。
学分：费米实验室
安装在直线加速器相干光源之前的超导铌腔之一
对于研究极端条件下材料行为的研究人员来说，更快的脉冲速率也将是一个福音。化学家所说的标准温度和压力“并不是宇宙所认为的标准”，SLAC 物理化学家 Benjamin Ofori-Okai 说。借助 LCLS-II，他将研究在行星中心发现的极端条件下材料的特性。
在 LCLS 的一个实验站，强大的光学激光器可用于将材料推至模拟行星核心的压力和温度，创造前所未有的碳同素异形体，并产生原本不会出现的极端物质状态存在于地球表面。然后，材料科学家可以使用新的更高能量、更快的 X 射线束穿透这些极端的物质状态，并以高速对其进行成像。Dresselhaus-Marais 和 Ofori-Okai 说，这种研究将有助于开发核聚变反应堆的材料，并导致对地质学和天文学的基本见解。
但新光束也将有助于研究不太极端的系统。SLAC 科学家 Kristjan Kunnus 期待有更简单的方法来研究溶液中的分子。Kunnus 使用 ChemRIXS 仪器。这些实验必须在真空中进行——对于固体样品来说很容易，但对于液体样品(例如溶液中的分子)则很棘手。ChemRIXS 使液体样品循环通过真空室内的微米厚通道，以便可以用软 X 射线束照射溶液。为了使用当前的 X 射线脉冲速率获得足够的分子数据，化学家必须提供高度浓缩的溶液。
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使用此处显示的 ChemRIXS 仪器，化学家可以用 X 射线光轰击液体溶液来研究它们的光化学。“你必须加入更多的分子才能获得更多的排放，”Argonne's Young 说。“但那可能不是你想研究的系统。” 许多有趣的反应发生在相对稀释的系统中。根据 Kunnus 的说法，LCLS-II 更快的脉冲速率将使研究这些更现实的系统成为可能。
尽管有所有令人兴奋的机会，LCLS-II 的高能 X 射线和快速脉冲也将为科学家们克服一些独特的实验障碍。例如，在一些实验中，研究人员会使用超灵敏传感器来检测单个电子。当 LCLS-II 的快速 X 射线脉冲导致样品每秒发射数百万个电子时，“所有这些超、超灵敏的探测器都将被摧毁，”Driver 说。速度更快的一系列 X 射线爆炸不仅会物理损坏现有的探测器，而且会因电子设备无法足够快地卸载的数据而使它们的电路过载。
Driver 说，他的合作者一直在开发事件驱动的相机，这些相机的像素只有在被他们成像的样本中的电子击中时才会打开。他们正在设计的电路会在它们被传递之前当场丢弃无趣的数据。
一旦他们掌握了如何使用这些新的 X 射线源，科学家们相信他们将为关键科学问题提供独特的见解，特别是在可再生能源领域。解开光合作用的秘密是 X 射线自由电子激光器的一大卖点。这些知识可能会导致开发从阳光中获取能量的合成系统。光合作用“非常复杂，我们仍然不知道如何有效地复制它，”Pascarelli 说。“但如果可以的话，我们可以利用太阳来解决很多问题。”
为了让科学家更彻底地研究光合作用，这些 X 射线激光器必须将快速脉冲速率与进一步进入硬 X 射线光谱的光束能量相结合。具有更高能量的光束将使科学家能够确定特定电子在包括铁在内的较重元素上的运动。这在今天是不可能的。但 Pascarelli 表示，未来十年 SLAC 和其他设施的更多计划升级将把高脉冲频率源的波长进一步推向硬 X 射线范围，金属真正在这个范围内唱歌。在加入欧洲 XFEL 之前，Pascarelli 在同步加速器领域工作了 30 年。知道这些 X 射线激光器可以做什么，她预计这些强大的光源将像今天的同步加速器一样成为常规。
