美国能源部SLAC国家加速器实验室最新升级的直线加速器相干光源(LCLS) x射线自由电子激光器(XFEL)成功地产生了第一个x射线。这次升级被称为LCLS-II，它创造了无与伦比的能力，将开创x射线研究的新时代。图片来源:Greg Stewart/SLAC国家加速器实验室
每秒多达100万次x射线闪光，是其前身的8000倍，它改变了科学家探索原子尺度超快现象的能力，这些现象是从量子材料到清洁能源技术和医学等广泛应用的关键。
美国能源部SLAC国家加速器实验室最新升级的直线加速器相干光源(LCLS) x射线自由电子激光器(XFEL)成功地产生了第一批x射线，世界各地的科学家已经排队准备启动一项雄心勃勃的科学计划。
这次升级被称为LCLS-II，它创造了无与伦比的能力，将开创x射线研究的新时代。科学家将能够以前所未有的分辨率检查量子材料的细节，以推动新形式的计算和通信;揭示不可预测和短暂的化学事件，教会我们如何创造更可持续的工业和清洁能源技术;研究生物分子如何执行生命功能，开发新型药物;以最快的时间尺度研究世界，开辟全新的科学研究领域。
SLAC的工作人员聚集在加速器控制室庆祝LCLS-II项目的开创性超导加速器产生的第一束光。图片来源:Matt Boyes/SLAC国家加速器实验室
LCLS-II项目主管Greg Hays说:“这一成就标志着十多年来工作的高潮。“这表明LCLS-II的所有不同元素都在以一种全新的操作模式协调工作，产生x射线激光。”
达到“第一盏灯”是一系列关键里程碑的结果，从2010年开始升级原始LCLS的愿景，发展成为一个多年(11亿美元)的升级项目，涉及能源部数千名科学家、工程师和技术人员，以及众多机构合作伙伴。
“60多年来，SLAC建立并运行了强大的工具，帮助科学家回答有关我们周围世界的基本问题。SLAC的临时实验室主任Stephen Streiffer说:“这一里程碑确保了我们在x射线科学领域的领导地位，并推动我们走向未来的创新。”“这一切都要归功于我们实验室的各个部分与更广泛的项目团队合作的惊人努力。”
把x射线科学带到一个新的水平
XFELs产生超亮、超短的x射线脉冲，使科学家能够在化学、生物和物质发生变化的自然时间尺度上以前所未有的细节捕捉分子、原子和电子的行为。XFELs在许多科学成就中发挥了重要作用，包括创造了第一部研究复杂化学过程的“分子电影”，实时观察植物和藻类吸收阳光产生我们呼吸的所有氧气的方式，以及研究驱动行星进化的极端条件和钻石雨等现象。
LCLS是世界上第一个硬XFEL，它在2009年4月产生了第一束光，产生的x射线脉冲比之前任何一束光都要亮10亿倍。它在室温下通过铜管加速电子，这将其速率限制在每秒120个x射线脉冲。
美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆表示:“SLAC LCLS-II发出的光将照亮宇宙中最小和最快的现象，并在从人类健康到量子材料科学等学科中带来重大发现。”“这次升级到现有最强大的x射线激光器，使美国保持在x射线科学的前沿，提供了一个窗口，了解我们的世界是如何在原子水平上运作的。祝贺SLAC非常有才华的工程师和研究人员，他们在过去的几年里为这个项目投入了如此多的精力，都是为了追求知识。”
LCLS- ii的升级将x射线科学提升到了一个全新的水平:它每秒可以产生多达一百万个x射线脉冲，比LCLS高8000倍，并产生几乎连续的x射线束，平均亮度将是其前身的1万倍——这是当今最强大的x射线光源的世界纪录。
美国能源部科学办公室主任Asmeret Asefaw Berhe表示:“LCLS的世界领先科学历史将随着这些升级的能力继续发展。”“我非常期待LCLS-II和用户社区对国家科学重点的影响，从化学、材料、生物学等基础科学研究;科学进展在清洁能源领域的应用并通过量子信息科学等举措确保国家安全。”
工作人员工程师Dominique White(中)与项目经理Dennis Martinez-Galarce交谈，他们正在为LCLS-II安装最后一个低温模块。图片来源:Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC国家加速器实验室
全球合作和先进技术
这一成就是广泛合作努力的结果，世界各地的研究人员作出了重要贡献。包括五个美国国家实验室和一所大学在内的多个机构为该项目的实现做出了贡献，这证明了它在国内和国际上的重要性。
LCLS-II增强能力的核心是其革命性的超导加速器。它由37个低温模块组成，冷却到零下456华氏度——比外太空更冷——在这个温度下，它可以在几乎零能量损失的情况下将电子提升到高能量。费米实验室和托马斯·杰斐逊国家加速器设施在设计和建造这些低温模块方面发挥了关键作用。
直线加速器配备了两个世界级的氦气冷冻装置。其中一个专门为LCLS-II建造的低温装置，将氦气从室温一直冷却到液态，温度仅比绝对零度高几度，为加速器提供冷却剂。图片来源:Greg Stewart/SLAC国家加速器实验室
“LCLS-II项目的核心是其开创性的超导加速器，”费米实验室主任Lia Merminga说。“工程、技术和科学方面的专业知识以及合作的才能，在如此短的时间内取得了巨大的成功，并取得了世界级的成绩，值得高度赞扬。”
超导加速器与现有的铜加速器并行工作，使研究人员能够在更大的能量范围内进行观察，捕捉快速过程的详细快照，探测其他光源无法达到的精细样品，并在更短的时间内收集更多数据，大大增加了可以在该设施进行的实验数量。
杰斐逊实验室主任斯图尔特·亨德森说:“看到这个由最先进的LCLS-II超导加速器驱动的巨大成就真是太棒了。”“杰斐逊实验室与费米实验室和SLAC合作，构建了一半的低温模块，为这一成就做出了贡献，我们为此感到自豪。这一成就建立在这种强大的粒子加速器技术十多年的发展基础上。”
低温模块的剖面图。除了加速电子的空腔外，每个大型金属圆柱体还包含多层绝缘和冷却设备。低温模块由地面冷却装置提供液氦。微波通过连接到固态放大器系统的波导到达低温模块。图片来源:Greg Stewart/SLAC国家加速器实验室
除了新的加速器，LCLS-II还需要许多其他尖端组件，包括一个新的电子源，两个强大的低温装置，为低温模块中的铌结构生产制冷剂，两个新的波动器，从电子束产生x射线，以及激光技术的重大飞跃，超快数据处理，先进的传感器和探测器。
这些波动器是与劳伦斯伯克利国家实验室和阿贡国家实验室合作开发的。包括康奈尔大学(Cornell University)在内的许多其他机构也为其他关键组成部分做出了贡献，突显了对推进科学知识的广泛承诺。
原来的LCLS波动器系统被移除，取而代之的是两个全新的系统，提供了惊人的新功能。图片来源:Alberto Gamazo/SLAC国家加速器实验室
劳伦斯伯克利国家实验室主任Mike Witherell说:“祝贺SLAC和来自全国各地能源部实验室的令人印象深刻的加速器专家团队，他们建造了LCLS-II。”“这个独特的新设施将为发现科学提供许多新的机会。”
“软”和“硬”x射线波动器分别产生低能量和高能量的x射线，这种多功能性使研究人员能够更精确地定制他们的实验，更深入地探索材料和生物系统的结构和行为。
阿贡国家实验室主任保罗·卡恩斯说:“我们很高兴看到我们与SLAC和伯克利实验室的合作有助于增强这种未来光源的能力。”LCLS-II背后的先进技术将使美国能源部用户设施社区大大增加我们对周围世界的了解。祝贺SLAC和所有为这一非凡的科学成就做出贡献的人。”
SLAC的直线飞机在日出时向东。自从美国能源部SLAC国家加速器实验室在半个世纪前启动其“直线加速器”以来，这个2英里长的粒子加速器推动了粒子物理学、加速器开发和x射线科学领域大量成功的研究项目。现在，具有历史意义的粒子高速公路正在得到改造，这将为更多开创性的研究铺平道路。来源:Olivier Bonin/SLAC国家加速器实验室
Pio突破性的科学
多年来，研究人员一直在准备将LCLS-II用于一个广泛的科学项目，以应对以前无法实现的挑战。
例如，科学家将能够在量子材料的自然时间尺度上研究它们之间的相互作用，这是理解它们不寻常的、经常违反直觉的特性的关键——利用它们来构建节能设备、量子计算机、超快数据处理和其他未来技术。
通过在阿秒时间尺度(电子运动的尺度)上捕捉化学反应的原子尺度快照，LCLS-II还将为化学和生物反应提供前所未有的见解，从而在从可再生能源到化肥生产和温室气体减排等行业中带来更高效和有效的过程。
LCLS-II产生的x射线脉冲将使科学家能够实时跟踪复杂系统中的能量流。这将为超高速计算、可持续制造和通信等领域的发展提供前所未有的详细信息。
在物理、化学和工程的交叉领域，材料科学也将从LCLS-II的新功能中受益匪浅。增强的x射线激光器具有在原子和分子尺度上观察材料内部结构和性能的潜力，预计将导致具有独特性能的新材料设计的突破，并影响从电子到能源存储到航空航天工程的一系列行业。
生命过程发生的规模和速度往往无法进行详细的研究。LCLS-II创造“分子电影”的能力可以阐明这些现象，在最基本的层面上彻底改变我们对生命的理解。从蛋白质的复杂舞蹈到光合作用的机制，LCLS-II将以前所未有的细节揭示生物系统。
LCLS主任迈克·邓恩说:“这些领域的实验将在未来几周和几个月内开始，吸引来自全国和世界各地的数千名研究人员。”“像LCLS这样的美国能源部用户设施是免费提供给用户的——我们根据最重要和最具影响力的科学进行选择。LCLS-II将在许多学术和工业领域推动一场革命。我期待着新想法的冲击——这就是国家实验室存在的本质。”
