直線加速器相干光源（LCLS）是美國SLAC國家加速器實驗室的X射線自由電子鐳射（XFEL）設備。現在，新升級的LCLS-II成功地產生了第一束X射線。這一訊息令世界各地各個領域的科學家都為之興奮，他們已經摩拳擦掌，準備啟動一系列以前難以實現的科學計劃。可以說，LCLS-II開啟了X射線研究的新時代。
一個新的水平
XFEL能產生極亮的、極短的X射線脈衝，使科學家在化學、生物和物質發生變化的自然時間尺度上，以前所未有的細節捕捉分子、原子和電子的行為。
LCLS是世界上第一個硬XFEL，也是此前最強大的X射線光源的世界紀錄保持者。它在2009年4月產生了第一束光，發出的X射線脈衝比之前任何一束光都要亮10億倍。它在室溫下加速電子通過銅結構，每秒產生多達120個X射線脈衝。
而升級後的LCLS-II將X射線科學提升到了一個全新的水平：它每秒可以產生多達上百萬個X射線脈衝，是LCLS的8000倍，並且它所產生的是幾乎連續的X射線束，平均亮度是LCLS的一萬倍。這樣的光芒將點亮宇宙中最小和最快的現象，為從人類健康到量子材料科學等眾多領域帶來重大發現。
先進的技術
這一飛躍性升級是全球各地的數千名科學家不懈努力的結果，它背後的核心技術在於其革命性的超導加速器。
超導加速器由37個低溫模組組成，它們被冷卻到接近絕對零度的溫度，能夠在幾乎零能量損失的情況下提升電子的能量。超導加速器與已有的銅加速器並行工作，使研究人員能夠在更大的能量範圍內進行觀測，捕捉快速過程的詳細快照，探測其他光源無法企及的樣品，並在更短的時間內收集更多資料，大大增加了可以進行的實驗數量。
LCLS配備了兩個氦冷凍裝置，其中一個是專門為LCLS-II建造的低溫裝置，將氦從室溫冷凍到接近絕對零度的溫度，為加速器提供冷卻劑。（圖/Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory）
除了新的加速器，LCLS-II還具有許多其他的尖端元件，包括一個新的電子源，兩個強大的能為低溫模組中的鈮結構生產製冷劑的低溫裝置，兩個新的能從電子束中產生X射線的波盪器。與此同時，LCLS-II也受益於鐳射技術的重大飛躍，超快的資料處理，以及先進的傳感器和探測器的發展。
其中，「軟」和「硬」X射線波盪器分別能夠產生低能量和高能量的X射線，這種多功能特性能使研究人員能夠更精確地設計實驗，更深入地探索材料和生物系統的結構和行為，為眾多領域的科學發現提供許多新的機會。
推動突破性科學
研究人員對LCLS-II寄予厚望，因為它可以應對過去無法攻克的挑戰。例如，科學家希望能夠在量子材料的自然時間尺度上研究它們之間的相互作用，這是理解它們不尋常的、反直覺特性的關鍵。
通過在阿秒時間尺度（電子運動的時間尺度）上捕捉化學反應的原子尺度快照，LCLS-II還將為化學和生物反應提供前所未有的見解，從而在可再生能源、化肥生產和溫室氣體減排等行業中帶來更高效和有效的過程。
與此同時，LCLS-II產生的X射線脈衝，還將使科學家能實時跟蹤複雜系統中的能量流，為超高速計算、可持續製造和通訊等領域的發展，提供前所未有的詳細資訊。
在物理、化學和工程的交叉領域，材料科學也將從LCLS-II的新功能中受益。增強的X射線鐳射器具有在原子和分子尺度上觀察材料內部結構和性能的潛力，這或將導致具有獨特性能的新材料設計的突破，並影響到從電子到能源儲存到航空航天工程等一系列行業。
生命過程發生的規模和速度往往難以進行詳細的研究。而LCLS-II可以創造「分子電影」，進而描繪這些現象，在最基本的層面上徹底改變我們對生命的理解。從蛋白質的複雜摺疊到光合作用的機制，LCLS-II將以前所未有的細節揭示生物系統。
科學家通過「分子電影」可以了解自然在最小的尺度上是如何運作的。（圖/Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory）
這些領域的實驗都將在未來幾周和幾個月內開始，這將吸引來自全世界各地的數千名研究人員。LCLS會根據最重要和最有影響力的科學進行排序和選擇，將設施免費提供給科學家使用。LCLS-II勢必將在許多學術和工業領域推動一場革命。
#創作團隊：
編譯：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://www6.slac.stanford.edu/news/2023-09-18-slac-fires-worlds-most-powerful-x-ray-laser-lcls-ii-ushers-new-era-science
#圖片來源：
封面圖&首圖：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
