世界上最强大的x射线激光器将进行大规模升级,这将帮助我们更好地了解原子世界

   随着全球最强激光器的重大升级,科学家们将能够比以往更深入地探测微观粒子的奥秘。 美国能源部(DOE)已批准对直线相干光源(LCLS)进行...

  

随着全球最强激光器的重大升级,科学家们将能够比以往更深入地探测微观粒子的奥秘。

美国能源部(DOE)已批准对直线相干光源(LCLS)进行升级,这是一种极为强大的x射线激光器,专用于科学研究。该激光器位于斯坦福大学附近的SLAC国家加速器实验室。

科学家们利用LCLS的x射线照射原子、纳米结构和分子,记录和分析宇宙的基本组成。这使他们能够捕捉到支配自然法则的原子过程,尤其在探索量子、能源和生物科学中的亚原子过程时极为重要。

这种自由电子激光器产生的光波长范围极广,其光束亮度比其他激光器高出几个数量级,强度也更为强大。LCLS的工作原理是将电子加速至接近光速,然后通过一组称为“波动器”的磁铁将其聚焦。这迫使电子以集中而明亮的光束释放光子,类似于增压x射线成像的过程。

LCLS x射线激光器的工作原理

LCLS位于一条长达2英里(3.2公里)的隧道中,该隧道最初是为1962年建造的粒子加速器而设。作为“LCLS-II”项目的一部分,它于2023年进行了首次升级。新硬件的加入使激光器的亮度提升至LCLS第一阶段的1万倍。LCLS-II的亮度比医院中的x光亮一万亿倍。它以每秒高达100万次脉冲的速度发射光束,每次脉冲仅持续几飞秒,正是光传播300纳米(约为病毒宽度)所需的时间。

这使得它能够逐帧拍摄化学过程的“电影”:2015年,科学家首次观察到化学键的形成,而在2023年,他们能够实时观察光合作用的各个步骤。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。

该项目的一部分是增加了一个新的超导加速器,显著提升了激光中电子的加速速度。实现这些成果需要使用37个低温模块将粒子的路径冷却至接近绝对零度,使LCLS的温度降至-456华氏度(-271摄氏度),比深空还要寒冷。

这些模块依次排列,形成LCLS-II激光发射的外壳。每个低温模块中都有射频腔,一旦冷却至极低温度,它们便能像超导体一样增强激光光束的能量输出。低温模块内含有过冷氦和超导射频腔,有助于冷却LCLS中使用的敏感材料,使其在无电阻或热量产生的情况下运行。

LCLS-II-HE的期待

最新的升级被称为“LCLS-II-HE”,将使LCLS-II的自由电子束产生的能量翻倍,总体亮度提升3000倍。这需要额外的23个低温模块进行进一步冷却。

为建造这些新组件,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。同时,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共同设计了LCLS-II中使用的波动器,以满足新的输出要求。

LCLS-II-HE的升级将是美国能源部基础能源科学和更广泛科学界的重大进展,”LCLS主任Mike Dunne在一份新闻稿中表示。“如果说升级后的LCLS-II使高质量的摄像机能够捕捉清晰细致的图像,那么升级后的LCLS-II-HE则大幅提升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,以应对我们社会面临的一些重大挑战。”

此次升级的费用为7.16亿美元,预计将显著提升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,尽管科学家们希望能更早进行试验,以展示激光器的全部潜力。

像LCLS这样的x射线激光器具有变革性的科学发现潜力。它们已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表示,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展我们对纳米尺度生物过程的理解,以追求更好的药物制造。

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中部署的机器学习和人工智能(AI)模型。

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  • svs
    svs 2024年12月19日

    我是的签约作者“svs”!

  • svs
    svs 2024年12月19日

    希望本篇文章《世界上最强大的x射线激光器将进行大规模升级,这将帮助我们更好地了解原子世界》能对你有所帮助!

  • svs
    svs 2024年12月19日

    本站[]内容主要涵盖:国足,欧洲杯,世界杯,篮球,欧冠,亚冠,英超,足球,综合体育

  • svs
    svs 2024年12月19日

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