美國能源部建造世界上最亮的X射線激光器

在距離斯坦福大學一箭之遙的地下30英尺處,科學家們正在對一台激光器進行收尾工作,這可能從根本上改變他們研究宇宙組成部分的方式。明年完工後,林納克相干光源II,或稱LCLS-II,將成為美國能源部SLAC國家加速器實驗室的第二個世界級X射線激光器。

第一台LCLS自2009年開始運行,創造了每秒120個光脈衝的光束。LCLS-II將能夠達到每秒100萬個脈衝,光束亮度是其前身的10000倍。它能夠製造所有低于飛秒的脈衝。飛秒之於一秒,就像一秒鐘之於宇宙的年齡。激光器的脈衝速度如此之快,它將使以前不可能進行的實驗成為可能。

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你可以把LCLS想成是一個具有原子分辨率的顯微鏡。它的核心是一個粒子加速器,來加速帶電粒子並將它們導入光束的裝置。然後,該光束通過一系列交替的磁鐵(一個稱為起伏器的裝置),產生X射線。科學家們可以使用這些X射線來創造他們稱之為分子電影的東西。這些是原子和分子運動的快照,在幾萬億分之一秒內被捕獲,並像電影一樣串聯起來。幾乎所有科學領域的科學家都從世界各地趕來,用LCLS進行實驗。除其他外,他們的分子電影顯示了正在發生的化學反應,展示了恆星內部原子的行為,並製作了詳細描述光合作用過程的現場快照。

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儘管這兩種激光器都能將電子加速到接近光速,但它們各自的方式不同。LCLS-II被設計為連續運行,這意味着它將產生大量的熱量。一個銅腔會吸收太多的熱量。這就是為什麼工程師們轉向了一個新的超導加速器,它由幾十個40英尺長的設備組成,稱為低溫模塊,設計為在絕對零度以上(-456華氏度)運行。它們由地面上的一個巨大的低溫工廠保持在工作溫度。

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LCLS-II將允許科學家回答他們多年來一直試圖解決的問題,包括分子系統內的能量轉移是如何發生的?電荷轉移是如何發生的?一旦我們理解了其中的一些原理,我們就可以開始應用它們來理解我們如何能夠進行人工光合作用,我們如何能夠建造更好的太陽能電池。

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