在SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)隧道中，被稱為波蕩器的磁鐵沿著隧道延伸約100米，一邊（右）產(chǎn)生硬X射線，另一邊產(chǎn)生軟X射線。圖片來源：SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室
12年前，物理學(xué)家研制出第一臺(tái)X射線激光器，其對(duì)材料和分子研究具有革命性意義。但這種被稱為X射線自由電子激光器（XFEL）的裝置只是部分類似于激光。與傳統(tǒng)激光器發(fā)出的純單波長光相比，它們產(chǎn)生的是混亂光束。現(xiàn)在，物理學(xué)家正在開發(fā)一種方案，利用完美的鉆石鏡使X射線脈沖更像普通激光束，甚至更有用。
現(xiàn)在有兩家機(jī)構(gòu)正在加緊進(jìn)行原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。“我對(duì)這種技術(shù)的潛力感到興奮。”德國馬克斯·普朗克化學(xué)能源轉(zhuǎn)換研究所的化學(xué)家Serena DeBeer說，“這種光束可以用來研究酶催化反應(yīng)的內(nèi)部機(jī)制。”歐洲XFEL的X射線物理學(xué)家Harald Sinn則提醒說，研制這樣復(fù)雜的XFEL可能需要10年時(shí)間，并不容易。
2009年，美國SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家實(shí)現(xiàn)了“硬”X射線。他們用實(shí)驗(yàn)室3公里長的線性加速器“點(diǎn)燃”了世界上第一個(gè)XFEL——直線加速器相干光源（LCLS）。此后，其他國家陸續(xù)建造了6個(gè)XFEL。
單個(gè)XFEL脈沖可以從一個(gè)納米尺寸的晶體上散射出來，并顯示后者的原子結(jié)構(gòu)。但由于XFEL利用電子束密度的波動(dòng)來產(chǎn)生X射線，因此，每個(gè)脈沖的強(qiáng)度不同，并且都有一個(gè)寬且隨機(jī)分布的波長光譜。
美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的加速器物理學(xué)家Kwang-Je Kim說，為消除這些“噪聲”，物理學(xué)家轉(zhuǎn)向了一個(gè)醞釀了幾十年的想法，即提取一束電子產(chǎn)生的部分X射線脈沖，并及時(shí)將其反饋到波蕩器的入口，以便與下一束電子重疊。再循環(huán)的X射線將作為“種子”，使電子輻射更可預(yù)測。在重復(fù)的周期中，X射線脈沖會(huì)變得非常“平滑”，波長范圍只有普通XFEL脈沖的1/1000寬。
然而，這個(gè)計(jì)劃需要非常特殊的晶體鏡。完美晶體應(yīng)該以一定的角度反射X射線，同時(shí)起到濾光片的作用。這種晶體鏡一直是科學(xué)家的夢想。2010年，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的X射線物理學(xué)家Yuri Shvyd ’ko和同事發(fā)現(xiàn)，小型人造鉆石能反射99%的X射線。幸運(yùn)的是，XFEL的光束寬度不到100微米。Shvyd’ko說，“只需要一個(gè)完美的小尺寸晶體。”
該計(jì)劃還需要一個(gè)高重復(fù)率的線性加速器，以確保X射線在繞鏡時(shí)遇到一束新電子。鑒于原來的加速器太慢，SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室正在安裝一個(gè)新加速器，從2022年開始，其將以每秒100萬次的速度運(yùn)行。
來自阿貢國家實(shí)驗(yàn)室、SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室和日本Spring-8實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家計(jì)劃用4塊晶體鏡在4個(gè)LCLS波蕩器周圍建造一個(gè)60米長的腔體。通過SLAC現(xiàn)有的加速器，他們將發(fā)射兩束相隔220納秒的電子通過波蕩器，并希望證明來自第一束的再循環(huán)X射線使第二束輻射更有效。該系統(tǒng)將于2023年啟動(dòng)并運(yùn)行。
歐洲XFEL的研究人員則計(jì)劃在2024年前進(jìn)行一種稍微不同的嘗試。他們希望通過波蕩器發(fā)射多達(dá)2700個(gè)電子束，并能觀察到激光束在每次經(jīng)過時(shí)變得更強(qiáng)、更平滑。德國漢堡大學(xué)的X射線物理學(xué)家Patrick Rauer在計(jì)算機(jī)上模擬了歐洲XFEL項(xiàng)目。他表示，該方案需要極高的精確度，將毫米大小的鉆石以百萬分之一的精度排列，“這將非常困難”。（文樂樂）
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