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世界最强X射线激光器升级:每秒1百万次射线脉冲

【中国仪器网 行业要闻】导读:据国外媒体报道,世界上最强大的X射线激光器将进行一次价值10亿美元(约合64亿人民币)的升级。加州的科学家们将为直线加速器相关光源(Linac Coherent Light Source,简称LCLS)添加一道新的激光束,亮度是原先的10000倍,速度是原先的8000倍,从而提高该激光器的功率。

  图为艺术家所绘的概念图,展现了电子从加速器空腔中飞过的场景。这些空腔将产生能量极大的激光束,每秒钟将产生一百万次X射线脉冲,远远超出任何现有的、或正在设计中的X射线激光器。

  未来的LCLS-II X射线激光器(蓝色所示)将被放置在现有的LCLS加速器(红色所示)旁边。LCLS占据了斯坦福直线加速器中心加速隧道的最后三分之一。安装LCLS-II时,原铜加速器的前三分之一将被替换成超导加速器,每秒能产生一百万次X射线脉冲。


  这些铌金属超导腔位于一连串地下低温恒温器中,当电子从加速器中快速飞过时,能量将大大增加。这一过程所需的能量来自于地面上产生的高能量射频场。

这道新激光束名为LCLS-II,将帮助科学家更好地看清原子在生命系统中的运动方式。研究人员称,该激光器的能量得到提升之后,将帮助我们在电器、能源和医学等领域做出新的发现。

“LCLS-II将使X射线科学向前迈进一大步,为我们敞开一系列超快、超小物质相关研究的大门,” LCLS的主管迈克·杜恩(Mike Dunne)说道,“这将大大增强我们研发未来新科技的能力,如新奇的电子产品、救命的药品和富有创新精神的能源解决方案等。”

此次升级将到2020年才能最终完成,LCLS将于2018年关停一年时间。每年都有数百名科学家使用LCLS,以前所未有的精细程度一窥大自然最基本的物理过程。他们可以看到分子是如何形成或打破化学键的,还能看到电流在材料中迅速排布时、是如何充电的。

要想使激光束的亮度达到原来的10000倍,激光束每秒需要产生1百万次X射线脉冲。新加入的X射线激光束将和已有的激光束一起运行,每道激光束将占据斯坦福直线加速器中心(Stanford Linear Accelerator Center,简称SLAC)2英里(约合3.2公里)长的直线加速隧道的三分之一。

和目前的设备一样,LCLS-II将使用加速到接近光速的电子来产生亮度极高的X射线激光束。这些电子从一连串磁体中间飞过(这一装置名叫波荡器),迫使电子按照弯弯曲曲的路径飞行,并以X射线的形式释放出能量。但这些电子被加速的方式则与现在的有很大区别,从而使LCLS-II的能力得到了进一步加强。
  我们现在采用的方法是,将电子放在一根处于室温的铜管中加速,每秒能产生120次X射线脉冲。但在研发LCLS-II时,研究人员将安装一台超导加速器。之所以叫做“超导”,是因为它的加速器空腔由金属铌制成,在冷冻到零下456华氏度(约零下271摄氏度时),电流损耗几乎为零。

加速电子时,电子会从一连串这样的空腔中穿过,产生几乎连续不断的X射线激光束,每秒钟产生一百万次激光脉冲,平均比LCLS亮一万倍。

为了实现此次重大升级,斯坦福直线加速器中心已经与另外四所国家实验室(阿贡国家实验室、伯克利实验室、费米实验室和杰弗逊实验室)以及康奈尔大学共同组建了一支研究团队,每个实验室都将为项目筹划、组件设计、获取和装配做出重大的贡献。


                                                      (来源:中国仪器网)


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