[解读科学]美国完成世界最强“巨型显微镜”
放射光加速器 LCLS 升级完成
比原先快8000倍、亮1万倍
“连化学反应瞬间电子的运动都能捕捉”
美国建成并投入运行世界上最强大的X射线激光器（线性同步辐射加速器）。该装置具备将化学反应瞬间发生的原子运动捕捉并成像的能力，有望为相关研究带来革命性变化。
美国斯坦福大学SLAC国家加速器实验室本月12日表示，耗资11亿美元、历时10余年的同步辐射加速器LCLS-I（Linac Coherent Light Source，直线相干光源）性能提升项目已经完成，并成功产生第一束光。本次升级后形成的LCLS-II，将X射线脉冲频率从每秒120次提升到100万次，增加了足足8000倍以上，因此可以实现每秒10万帧的视频拍摄。激光的平均亮度也提高到原来的1万倍以上。科学家认为，借此可以以迄今为止最高的清晰度拍摄分子运动，并可洞察以往设备无法观测的稀有分子现象内部结构。
国际学术期刊《Nature》（《自然》）报道称：“包括化学反应过程中绕原子轨道运动的电子在内，这一装置将能够把极其快速发生的物质运动成像”，“这有助于揭示光合作用的奥秘，或推动开发用于计算系统的新型电子器件”。
在升级之前，2009年建成的LCLS-I本身就拥有惊人的性能，是全球首台能够以激光速度发射X射线以研究原子的同步辐射加速器。其原理是通过约3公里长的铜线加速电子，再利用磁场扰动使其发射X射线。该装置可以同时产生高能的硬X射线（穿透力强、波长短）和低能的软X射线。
实验室方面表示，通过此次性能提升，将加速器部分区段的铜线更换为在2开尔文（约零下271.5摄氏度）极低温下呈现电阻为零状态的超导铌（Niobium）电线。借此可以更快速地产生X射线脉冲，其余保留的铜线部分则只负责产生软X射线（穿透力弱、波长长）。实验室原计划在2020年完成升级，但因新冠肺炎全球大流行等多种原因，延至此次才最终收尾。
韩国也自1994年起建成并利用3至4代浦项同步辐射加速器。同步辐射加速器通过将电子加速到接近光速，利用其产生的光来拍摄原子、分子尺度的图像，广泛应用于基础科学、医学和应用科学等领域。同步辐射加速器的光比太阳亮得多，能够观测到原子、分子层级的结构，因此被称为“超高性能巨型显微镜”。目前，韩国正在忠北梧仓斥资1万亿韩元建设第四代多用途同步辐射加速器。该装置将以皮米级分辨率、4GeV（40亿电子伏特）的能量加速电子，计划产生比太阳亮约1000亿倍的光束。
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