科学探索|超导X射线激光器达到了比外层太空还要冷的工作温度超导X射线激光器达到了比外层

在加利福尼亚州门洛帕克的地下30英尺处有一段半英里长的隧道现在比宇宙的大部分都要冷。它容纳了一个新的超导粒子加速器，它是美国能源部(DOE)的SLAC国家加速器实验室的利纳克相干光源(LCLS)X射线自由电子激光器的升级项目的一部分。

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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。

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“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。”

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【科学探索|超导X射线激光器达到了比外层太空还要冷的工作温度】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。”