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图1：交付给 SLAC 的低温模块 ， 用于增强 X 射线束 。 Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC 国家加速器实验室
物理世界正在围绕欧洲核子研究中心的大型强子对撞机进行集结 ， 经过长时间的升级和长达数年的停顿后 ， 它现在上线了 。 但这并不是唯一真正接收新能量的科学机器 。 近 6000 英里外 ， 在地球的另一端 ， 另一座正在进行最后的润色 。
【如何制造比太空更冷的 X 射线激光器】位于旧金山南部的 SLAC 国家加速器实验室拥有一个名为 LCLS 的大型激光器 ， 科学家可以使用 X 射线来观察分子 。 考虑像 LCLS 这样的设施的方式实际上是超分辨率显微镜 。
现在 ， LCLS 刚刚完成了一项名为 LCLS-II 的重大升级 ， 该升级使激光下降到仅比绝对零高几度 。
赋予粒子加速器新的生命半个世纪前 ， SLAC 的隧道安装了一个粒子加速器 。 虽然今天大多数粒子加速器都让他们的猎物绕着圈子旋转 ， 但这个加速器是完全笔直的 。 为了使电子达到粉碎的速度 ， 它必须超过 2 英里长 。 在它开放后的几十年里 ， 它是“世界上最长的建筑” 。 （这条隧道非常独特 ， 一条数英里长的直线刻在山麓上 ， 飞行员用它来寻路 。 ）
当它在 1966 年上线时 ， 这个所谓的斯坦福直线加速器是一个工程奇迹 。 在接下来的几十年里 ， 在那里进行的粒子物理学研究获得了不少于三项诺贝尔物理学奖 。 但到了 21 世纪 ， 它已成为某种遗迹 ， 被欧洲核子研究中心和其他地方的其他加速器超越 ， 这些加速器可以粉碎更高能量的粒子 ， 看到斯坦福看不到的东西 。
但那座 2 英里长的建筑仍然存在 ， 2009 年 ， SLAC 为其配备了一台新机器：直线加速器相干光源 (LCLS) 。
LCLS 是称为 X 射线自由电子激光器 (XFEL) 的设备的一个示例 。 虽然它是激光 ， 但它与激发小猫的小型手持激光笔没有太多共同之处 。 那些使用二极管等电子元件产生激光束 。
另一方面 ， XFEL 与粒子加速器的共同点要多得多 。 事实上 ， 这是激光的第一阶段 ， 将电子束加速到非常接近光速 。 然后 ， 这些电子通过一圈磁铁 ， 迫使它们以之字形快速折返 。 在此过程中 ， 电子以 X 射线的形式将其巨大的能量向前发射 。
:电子枪是光束的来源 。 Marilyn Chung/伯克利实验室 通过 SLAC
这样做可以产生从微波到紫外线到可见光的各种电磁波 。 但科学家更喜欢使用 X 射线 。 这是因为 X 射线的波长约为原子大小 ， 当聚焦在强大的光束中时 ， 科学家们可以窥探分子内部 。
LCLS 与世界上大多数其他 X 射线源不同 。 加州光束就像闪光灯一样工作 。 每次闪光都会捕捉到该分子在特定状态下的运动 。
LCLS 最初每秒可以拍摄 100 次闪光 。 这让科学家们可以制作一部关于化学反应发生的电影 。 他们可以观察原子之间的键形成和断裂 ， 并观察新分子 。 它可能很快就能制作帧速率快数千倍的电影 。
冷却激光在其第一次迭代中 ， LCLS 使用铜结构来加速其电子 。 但是增加整台机器的功率正在推动铜的极限 。 铜只是拉动了过多的电流 ， 所以它会熔化 ， 就像你在保险丝盒中熔断一根电线一样 。
有一种方法可以解决这个问题：称为超导性的奇异量子效应 。
当您将材料降低到某个临界温度以上时 ， 它的电阻几乎会下降到零 。 然后 ， 您可以在功能上使电流无限期流动 ， 而不会像热量一样向周围环境损失能量 。
LCLS 远不是第一个使用这种技术的激光器 。 问题在于 ， 达到这个温度——通常只比绝对零高几度——可不是件小事 。
支持这些冷却到极低温度的低温系统变得非常困难 。 有些超导材料的工作温度略低一些 ， 但它们都不能在数百英尺长的空间中工作 。
较小的设施可能会受到这一挑战的困扰 ， 但 SLAC 在结构的一端建造了一个仓库大小的冰箱 。 它使用液氦将加速器冷却到 -456°F 。
超导还具有使装置更节能的好处 。 大型物理设施因使用与小国一样多的电力而臭名昭著 。 在某种程度上 ， 超导技术本身就是一种绿色技术 ， 因为只有很少的加速器能量会转化为热量 。
升级完成后 ， 新的和改进的 LCLS-II 将不仅能够提供每秒 100 个脉冲 ， 而且可以提供多达 100 万个脉冲 。
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