工作人員成功地將加速器冷卻到零下456華氏度/2開爾文--在這個(gè)溫度下，加速器成為超導(dǎo)并能將電子提升到高能量，而在此過程中能量損失幾乎為零。這是LCLS-II產(chǎn)生X射線脈沖之前的最后一個(gè)里程碑，這些X射線脈沖的平均亮度為L(zhǎng)CLS的10,000倍，每秒可到達(dá)100萬(wàn)次--這是當(dāng)今最強(qiáng)大的X射線光源的世界紀(jì)錄。

“在短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，LCLS-II將產(chǎn)生比目前的激光器在其整個(gè)生命周期內(nèi)產(chǎn)生的更多的X射線脈沖，”LCLS的主任Mike Dunne說(shuō)道，“曾經(jīng)可能需要幾個(gè)月才能收集的數(shù)據(jù)可以在幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生。它將把X射線科學(xué)提升到一個(gè)新的水平并為一系列全新的研究鋪平道路、推進(jìn)我們開發(fā)革命性技術(shù)的能力從而解決我們社會(huì)面臨的一些最深刻的挑”

有了這些先進(jìn)的新能力，科學(xué)家們可以以前所未有的分辨率檢查復(fù)雜材料的細(xì)節(jié)來(lái)推動(dòng)新形式的計(jì)算和通信、揭示罕見和短暫的化學(xué)事件從而教導(dǎo)人們?nèi)绾蝿?chuàng)造更可持續(xù)的工業(yè)和清潔能源技術(shù)、研究生物分子如何執(zhí)行生命的功能以開發(fā)新型藥品、通過直接測(cè)量單個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)來(lái)窺探量子力學(xué)的奇異世界。

一個(gè)令人害怕的壯舉

LCLS作為世界上第一個(gè)硬X射線自由電子激光器(XFEL)于2009年4月產(chǎn)生了它的第一道光，其產(chǎn)生的X射線脈沖的亮度是以前的任何東西的10億倍。由于它是在室溫下通過銅管加速電子的，所以這限制了它的速率為每秒120個(gè)X射線脈沖。

2013年，SLAC啟動(dòng)了LCLS-II升級(jí)項(xiàng)目以將該速率提高到一百萬(wàn)個(gè)脈沖并使X射線激光器的功率提高數(shù)千倍。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，工作人員拆除了舊的銅質(zhì)加速器的一部分并安裝了一系列37個(gè)低溫加速器模塊，這些模塊容納了珍珠般的一串鈮金屬空腔。這些模塊被三層嵌套的冷卻設(shè)備所包圍，每一層都會(huì)降低溫度，直到達(dá)到近乎絕對(duì)零度--在這個(gè)條件下，鈮腔會(huì)變成超導(dǎo)。

“跟為L(zhǎng)CLS提供動(dòng)力的銅質(zhì)加速器在環(huán)境溫度下運(yùn)行不同，LCLS-II超導(dǎo)加速器在2 kelvins下運(yùn)行，僅比絕對(duì)零度高出約4華氏度，這是可能的最低溫度，”SLAC低溫部主任Eric Fauve說(shuō)道，“為了達(dá)到這個(gè)溫度，linac配備了兩個(gè)世界級(jí)的氦氣低溫器，進(jìn)而使SLAC成為美國(guó)和全球的重要低溫地標(biāo)之一。在整個(gè)大流行期間，SLAC低溫團(tuán)隊(duì)在現(xiàn)場(chǎng)工作、安裝和調(diào)試低溫系統(tǒng)并在創(chuàng)紀(jì)錄的時(shí)間內(nèi)為加速器降溫?！?/p>

其中一個(gè)專門為L(zhǎng)CLS-II建造的低溫器則將氦氣從室溫一直冷卻到絕對(duì)零度以上的液態(tài)并為加速器提供冷卻劑。

4月15日，新加速器首次達(dá)到了2K的最終溫度，今日（5月10日），加速器則已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行初始操作。

“冷卻是一個(gè)關(guān)鍵的過程，必須非常小心地進(jìn)行，以此來(lái)避免損壞低溫模塊的情況發(fā)生，”SLAC加速器局局長(zhǎng)Andrew Burrill說(shuō)道，“我們非常興奮，我們已經(jīng)達(dá)到了這個(gè)里程碑，現(xiàn)在可以專注于開啟X射線激光器了?！?/p>

賦予它生命

除了一個(gè)新加速器和一個(gè)低溫器外，該項(xiàng)目還需要其他尖端部件--包括一個(gè)新的電子源和兩串新的起伏器磁鐵，它們可以產(chǎn)生“硬”X射線和“軟”X射線。其中，硬X射線的能量更大，使研究人員能在原子水平上對(duì)材料和生物系統(tǒng)進(jìn)行成像。軟X射線則可以捕捉到能量如何在原子和分子之間流動(dòng)、跟蹤化學(xué)作用并提供對(duì)新能源技術(shù)的見解。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)項(xiàng)目，SLAC跟其他四個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室--阿貢實(shí)驗(yàn)室、伯克利實(shí)驗(yàn)室、費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和杰弗遜實(shí)驗(yàn)室--及康奈爾大學(xué)進(jìn)行了合作。

杰斐遜實(shí)驗(yàn)室、費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和SLAC匯集了他們的專業(yè)知識(shí)來(lái)研究和開發(fā)低溫模塊。在建造好低溫艙后，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和杰斐遜實(shí)驗(yàn)室對(duì)每一個(gè)低溫艙進(jìn)行了廣泛的測(cè)試，然后用卡車將這些容器包裝并運(yùn)往SLAC。杰斐遜實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)并幫助采購(gòu)了低溫器的元件。

“LCLS-II項(xiàng)目需要來(lái)自美國(guó)各地五個(gè)不同的能源部實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)人員、工程師和科學(xué)家組成的大型團(tuán)隊(duì)及來(lái)自世界各地的許多同事的多年努力，”SLAC副主任兼LCLS-II項(xiàng)目主任Norbert Holtkamp說(shuō)道，“如果沒有這些持續(xù)的伙伴關(guān)系及我們合作者的專業(yè)知識(shí)和承諾，我們不可能取得現(xiàn)在的成就?！?/p>

邁向第一條X射線

現(xiàn)在腔體已經(jīng)被冷卻，下一步工作是用超過一兆瓦的微波功率對(duì)其進(jìn)行泵送，從而加速來(lái)自新源的電子束。穿過空腔的電子將從微波中獲取能量，因此當(dāng)電子穿過所有37個(gè)低溫模塊時(shí)它們的運(yùn)動(dòng)速度將接近光速。然后，它們將會(huì)被引導(dǎo)通過起伏器，進(jìn)而迫使電子束走人字形路線。如果一切都排列得恰到好處--在人類頭發(fā)寬度的一小部分范圍內(nèi)--那么電子將發(fā)出世界上最強(qiáng)大的X射線爆發(fā)。

這跟LCLS用于產(chǎn)生X射線的過程相同。然而由于LCLS-II使用的是超導(dǎo)腔而非基于60年歷史的暖銅腔，所以它可以每秒提供多達(dá)一百萬(wàn)個(gè)脈沖，這是相同功率的X射線脈沖數(shù)量的一萬(wàn)倍。

一旦LCLS-II產(chǎn)生其第一批X射線--預(yù)計(jì)將會(huì)在今年晚些時(shí)候發(fā)生，兩個(gè)X射線激光器將并行工作，這將使研究人員能在更廣泛的能量范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、捕捉超快過程的詳細(xì)快照、探測(cè)脆弱的樣品并在更短的時(shí)間內(nèi)收集更多數(shù)據(jù)和增加可進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)量。它將大大擴(kuò)展該設(shè)施的科學(xué)范圍，進(jìn)而使來(lái)自全美及世界各地的科學(xué)家能追求最引人注目的研究理念。