新发现！紧凑型 X 射线自由电子激光器项目成功推进

经过五年的努力，亚利桑那州立大学的研究人员已经实现了构建紧凑型 X 射线自由电子激光器的第一个目标——创造最终将产生超短 X 射线脉冲的最重要的电子。

ASU Physica 教授、应用结构发现生物设计中心研究员 William Graves 教授说：“这是一种灵光乍现的时刻，当我们打开所有这些复杂系统的所有东西时，我们看到了第一个电子的产生。”

研究人员打算使用电子束的纳米图案，通过电子衍射，将他们杂乱无章的电子包转换成原子大小的“箱”，提高功率并产生完全相干的 X 射线。

完全可操作的紧凑型 X 射线光源 (CXLS) 长约 10 m，可产生超短 X 射线脉冲以拍摄化学反应和分子活动的“高速电影”。

紧凑型 X 射线光源

紧凑型 X 射线光源将极短的紫外激光脉冲聚焦到铜表面上来产生电子包。然后，这些电子将被 1 m 长的直线加速器和具有兆瓦峰值功率的强微波频率电磁场加速到接近光速。

接下来，电子将通过一系列精确对准的磁铁形成定向束。产生的电子束将被强烈的短脉冲激光发射，使电子产生起伏运动，从而产生强烈且可预测的 X 射线发射。

使用光学激光场作为波荡器从电子产生 X 射线，而不是一英里长的自由电子激光设施中常见的磁铁，如直线加速器相干光源，减少了电子波荡器的长度和加速器的数量级。

至关重要的是，减少规模和成本意味着更多的研究机构可以建立类似的资源，投入更多的精力来研究光合作用和药物相互作用等现象。

事实上，一旦产生，X 射线将用于揭示生物分子和新材料的原子结构和功能。

一个关键应用就是阿秒物理学，它研究分子如何相互连接以及化学反应和催化的动力学。阿秒动力学是自然界中最快的过程，对工业也具有重要意义。

同时，可以研究量子材料和时间分辨生物化学——涉及生物和化学过程之间微妙的相互作用。

ASU 紧凑型 X 射线自由电子激光器 (CXFEL) 计划

“我们不仅要捕捉静态结构，还要捕捉它的工作原理，”格雷夫斯说。“不同分子的功能是什么？我们真的能看到正在发生的反应吗？我们想制作一种关于化学键形成和断裂的定格电影。”

“通过这样做，我们可以更深入地了解化学和分子的工作原理，”他补充道。“例如，药物如何影响病毒……或研究高温超导体如何彻底改变能源生产。我们还不了解它的物理原理。”

如果没有Annette 和 Leo Beus 为创建 Beus Compact X 射线自由电子激光实验室提供了 1000 万美元的慷慨捐助，该计划就不可能实现。在过去的几年中，该计划引起了该领域科学家的极大期待和兴奋，并吸引了数十名科学家来到亚利桑那州立大学。

从创新的 CXLS 过渡到设想的未来紧凑型 X 射线自由电子激光器 (CXFEL)，需要进一步的突破。2019 年，美国国家科学基金会宣布支持下一阶段的 CXFEL 项目，拨款 470 万美元，用于资助新设备的综合设计研究。

尽管 Covid-19 大流行仍在持续，但来自ASU 和其他机构的大约 100 名研究人员和学生参与了该项目，CXLS 的设计工作和建设仍在快速进行。

文章来源：MicroscopyX-Ray Analysis

（编译：符斌 北京中实国金国际实验室能力验证研究中心研究员）