随着世界上最强大的激光器的重大升级，科学家们很快就可以比以往任何时候都更详细地探测到世界上最小粒子的秘密。
美国能源部(DOE)已经批准升级直线相干光源(LCLS)，这是一种用于研究的令人难以置信的强大x射线激光器。这是基于SLAC国家加速器实验室-位于斯坦福大学校园附近的旧金山湾区。
科学家利用LCLS用x射线照射原子、纳米结构和分子，记录和分析宇宙的组成部分。这使他们能够记录支配世界如何运作的原子过程，对于探索量子、能源和生物科学中的亚原子过程尤其有用。
像这样的自由电子激光器产生的明亮光的波长非常宽，其光束比其他激光器亮几个数量级，强度也更高。LCSC的工作原理是将电子加速到接近光速的速度，然后通过一组被称为“波动器”的磁铁将它们集中起来。这迫使它们以一束集中明亮的光束释放光子(光粒子)，以一种类似于增压x射线成像的过程照亮粒子。
LCSC x射线激光器是如何工作的
LCLS被安置在一条2英里(3.2公里)长的隧道中，该隧道最初用于1962年建造的粒子加速器。作为“LCLS-II”项目的一部分，它于2023年首次升级。添加到激光器上的新硬件提高了它的亮度，使光束的亮度达到LCLS第一阶段的1万倍。LCSC-II比你在医院里看到的x光还要亮一万亿倍。它以每秒高达100万次脉冲的速度发射光束，每次脉冲只持续几飞秒，这是光传播300纳米(大约是病毒的宽度)所需要的时间。
这使得它可以逐帧拍摄化学过程的“电影”:2015年，这使得科学家们第一次看到化学键是如何形成的，2023年，科学家们可以观察到光合作用的实时步骤。这有助于我们理解从化学反应到新型太阳能电池的能量守恒的一切。
该项目的一部分是增加了一个新的超导加速器，这大大提高了激光中电子的加速速度。实现这些结果意味着使用37个低温模块(cryogenic modules)将粒子的路径冷却到接近绝对零度，这将LCLS内的温度降低到-456华氏度(-271摄氏度)，这比深空更冷。
这些模块一个接一个地排列，形成LCLS-II激光发射的外壳。在电路中的每个低温模块中都有射频腔，一旦冷却到令人难以置信的低温，它们就会像超导体一样放大激光光束的能量输出。低温模块包含过冷氦和超导射频腔，有助于冷却敏感科学系统(如LCLS)中使用的材料，使它们在没有电阻或产生热量的情况下运行。
LCLS-II-HE有什么可期待的
最新一轮的升级被称为“LCLS-II- he”，它将使LCLS-II的自由电子束产生的能量增加一倍，总体亮度增加3000倍。这将需要23个额外的低温模块进行更多的冷却。
为了建造这些新组件，SLAC国家加速器实验室将与费米国家加速器实验室、密歇根州立大学的稀有同位素光束设施(FRIB)和托马斯杰斐逊国家加速器设施合作。它还将与劳伦斯伯克利国家实验室合作，该实验室与阿贡国家实验室一起设计了LCLS-II中使用的波动器，以使波动器符合新的输出要求。
LCLS- ii - he升级将是美国能源部基础能源科学和更广泛的科学界的科学使命的变革性进步，”LCLS主任Mike Dunne在一份新闻稿中说。如果说升级后的LCLS-II使高质量的电影摄像机能够捕捉清晰细致的图像，那么升级后的LCLS-II- he则大大提高了摄像机的分辨率和灵敏度。科学家将能够对材料、化学系统和生物复合体的原子尺度运动进行成像，以解决我们社会面临的一些最关键的挑战。”
此次升级将耗资7.16亿美元，预计将大大提高SLAC国家加速器实验室的科学能力，该实验室由斯坦福大学代表美国能源部运营。目前，该组织预计升级将在2030年完成，尽管科学家们希望更早地进行试验，以展示激光器的全部潜力。
像LCLS这样的x射线激光器具有科学发现的变革性潜力。它们已经被用于研究纳米技术和纳米材料的最佳结构，SLAC国家加速器实验室的代表说，这可能有助于提高可再生能源技术和电池的能量密度。他们补充说，这项科学工作还可以扩大我们对纳米尺度生物过程的理解，以追求制造更好的药物。
一旦升级，LCLS每天将产生超过1pb的数据，这些数据可用于训练上述科学领域部署的机器学习和人工智能(AI)模型。
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