超导X射线激光器达到了比外层太空还要冷的工作温度

工作人员成功地将加速器冷却到零下456华氏度/2开尔文--在这个温度下，加速器成为超导并能将电子提升到高能量，而在此过程中能量损失几乎为零。这是LCLS-II产生X射线脉冲之前的最后一个里程碑，这些X射线脉冲的平均亮度为LCLS的10,000倍，每秒可到达100万次--这是当今最强大的X射线光源的世界纪录。

“在短短几个小时内，LCLS-II将产生比目前的激光器在其整个生命周期内产生的更多的X射线脉冲，”LCLS的主任Mike Dunne说道，“曾经可能需要几个月才能收集的数据可以在几分钟内产生。它将把X射线科学提升到一个新的水平并为一系列全新的研究铺平道路、推进我们开发革命性技术的能力从而解决我们社会面临的一些最深刻的挑”

有了这些先进的新能力，科学家们可以以前所未有的分辨率检查复杂材料的细节来推动新形式的计算和通信、揭示罕见和短暂的化学事件从而教导人们如何创造更可持续的工业和清洁能源技术、研究生物分子如何执行生命的功能以开发新型药品、通过直接测量单个原子的运动来窥探量子力学的奇异世界。

一个令人害怕的壮举

LCLS作为世界上第一个硬X射线自由电子激光器(XFEL)于2009年4月产生了它的第一道光，其产生的X射线脉冲的亮度是以前的任何东西的10亿倍。由于它是在室温下通过铜管加速电子的，所以这限制了它的速率为每秒120个X射线脉冲。

2013年，SLAC启动了LCLS-II升级项目以将该速率提高到一百万个脉冲并使X射线激光器的功率提高数千倍。为了实现这一目标，工作人员拆除了旧的铜质加速器的一部分并安装了一系列37个低温加速器模块，这些模块容纳了珍珠般的一串铌金属空腔。这些模块被三层嵌套的冷却设备所包围，每一层都会降低温度，直到达到近乎绝对零度--在这个条件下，铌腔会变成超导。

“跟为LCLS提供动力的铜质加速器在环境温度下运行不同，LCLS-II超导加速器在2 kelvins下运行，仅比绝对零度高出约4华氏度，这是可能的最低温度，”SLAC低温部主任Eric Fauve说道，“为了达到这个温度，linac配备了两个世界级的氦气低温器，进而使SLAC成为美国和全球的重要低温地标之一。在整个大流行期间，SLAC低温团队在现场工作、安装和调试低温系统并在创纪录的时间内为加速器降温。”

其中一个专门为LCLS-II建造的低温器则将氦气从室温一直冷却到绝对零度以上的液态并为加速器提供冷却剂。

4月15日，新加速器首次达到了2K的最终温度，今日（5月10日），加速器则已经准备好进行初始操作。

“冷却是一个关键的过程，必须非常小心地进行，以此来避免损坏低温模块的情况发生，”SLAC加速器局局长Andrew Burrill说道，“我们非常兴奋，我们已经达到了这个里程碑，现在可以专注于开启X射线激光器了。”

赋予它生命

除了一个新加速器和一个低温器外，该项目还需要其他尖端部件--包括一个新的电子源和两串新的起伏器磁铁，它们可以产生“硬”X射线和“软”X射线。其中，硬X射线的能量更大，使研究人员能在原子水平上对材料和生物系统进行成像。软X射线则可以捕捉到能量如何在原子和分子之间流动、跟踪化学作用并提供对新能源技术的见解。为了实现这个项目，SLAC跟其他四个国家实验室--阿贡实验室、伯克利实验室、费米实验室和杰弗逊实验室--及康奈尔大学进行了合作。

杰斐逊实验室、费米实验室和SLAC汇集了他们的专业知识来研究和开发低温模块。在建造好低温舱后，费米实验室和杰斐逊实验室对每一个低温舱进行了广泛的测试，然后用卡车将这些容器包装并运往SLAC。杰斐逊实验室团队还设计并帮助采购了低温器的元件。

“LCLS-II项目需要来自美国各地五个不同的能源部实验室的技术人员、工程师和科学家组成的大型团队及来自世界各地的许多同事的多年努力，”SLAC副主任兼LCLS-II项目主任Norbert Holtkamp说道，“如果没有这些持续的伙伴关系及我们合作者的专业知识和承诺，我们不可能取得现在的成就。”

迈向第一条X射线

现在腔体已经被冷却，下一步工作是用超过一兆瓦的微波功率对其进行泵送，从而加速来自新源的电子束。穿过空腔的电子将从微波中获取能量，因此当电子穿过所有37个低温模块时它们的运动速度将接近光速。然后，它们将会被引导通过起伏器，进而迫使电子束走人字形路线。如果一切都排列得恰到好处--在人类头发宽度的一小部分范围内--那么电子将发出世界上最强大的X射线爆发。

这跟LCLS用于产生X射线的过程相同。然而由于LCLS-II使用的是超导腔而非基于60年历史的暖铜腔，所以它可以每秒提供多达一百万个脉冲，这是相同功率的X射线脉冲数量的一万倍。

一旦LCLS-II产生其第一批X射线--预计将会在今年晚些时候发生，两个X射线激光器将并行工作，这将使研究人员能在更广泛的能量范围内进行实验、捕捉超快过程的详细快照、探测脆弱的样品并在更短的时间内收集更多数据和增加可进行的实验数量。它将大大扩展该设施的科学范围，进而使来自全美及世界各地的科学家能追求最引人注目的研究理念。