作者:文乐乐 来源:中国科学报 发布时间:2024/7/2 18:30:06
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重建的美国X射线源迎来新生

 

在耗资8.15亿美元、历时14个月的重建之后,美国首屈一指的X射线同步加速器—— 一台用于研究材料和分子原子结构的大型机器,重新焕发了生机。

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在新的APS内循环着一束比人类头发还窄的强电子束。图片来源:ARGONNE NATIONAL LABORATORY

据《科学》报道,近日,位于阿贡国家实验室的新型先进光子源(APS)向实验人员发射了第一束X射线。一旦调试完毕,新的APS—— 一个1.1公里长的环形粒子加速器,将成为世界上最亮的X射线同步加速器,而这要归功于一个大胆的维持产生X射线的电子束强度的新方案。

“这是对科学技术的开创性贡献。”德国电子同步加速器(DESY)实验室加速器物理学家Riccardo Bartolini说。

美国布鲁克海文国家实验室加速器物理学家Timur Shaftan说:“就性能特征而言,APS确实走在了前面。”他表示,新光源更明亮、更像激光的X射线束将使每年使用APS的近6000名科学家能够开发新的实验技术。

当高能电子在同步加速器内循环时,它们会发射出X射线,有点类似于越野车在转弯时踢起石头。X射线同步加速器的亮度是医用X光机的数万亿倍,已经多个领域发生彻底改变。

第一代X射线同步加速器源出现在20世纪70年代,当时研究人员只是从为粒子物理实验建造的加速器中虹吸X射线。20世纪80年代,第一台专用X射线同步加速器建成。20世纪90年代出现了第三代X射线同步加速器,包括最初的APS,位于法国的欧洲同步辐射光源(ESRF)和日本的8GeV超级光子环,它们使用更强、更紧凑的电子束来产生更亮的X射线束。它们还使用了一种名为波动器的特殊磁体,使电子协同摆动,并能比第二代使用的更粗糙的摆动磁体更有效地辐射。

第四代X射线同步加速器已经问世。2016年,瑞典的一个较小的X射线同步加速器MAX-IV部署了更多的聚焦磁铁和弯转磁铁,以产生更紧凑的电子束,从而产生更紧密、更明亮的X射线束。ESRF紧随其后,安装了一个类似设计的环——极亮源(EBS)。ESRF- EBS于2020年竣工,比旧的ESRF亮100倍,比旧的APS亮约60倍。

从2023年4月开始,工人们在不到一年的时间里拆除了旧的APS并安装了一个新的加速器。新环的电子束甚至比ESRF-EBS的电子束更紧凑,它的发射度,即光束大小和传播趋势的衡量标准,只有ESRF-EBS的1/3。Bartolini说,这意味着电子束应该辐射出更明亮、更连贯的X射线,这种X射线的作用更像是平滑的波,而不是像枪林弹雨。

设计一台具有如此低发射率光束的机器也带来了问题。当电子在同步加速器周围旋转时,一些电子会飞出并丢失,这会削弱电子束并使X射线变暗。早期的 X 射线同步加速器解决这个问题的方法是每天两三次释放光束,然后重新开始。旧的APS开创了一种名为“补充”的技术,每一两分钟补充一次电子束,使其能够24小时提供恒定亮度的X射线。但这种技术在新的APS上不起作用。

在同步加速器中,电子以小束的形式运动。“补充”技术需要找到最接近耗尽的电子束,并通过注入电子来恢复它。阿贡国家实验室加速器物理学家Michael Borland说,在最初的APS中,必须将额外的电子注入到离电子束15毫米以内的地方。但在新的APS系统中,这个“窗口”小于5毫米——太小了,无法击中目标。

取而代之,Borland和同事实施了一项叫作“交换”的方案。在该方案中,高压电极将耗尽的电子束完全踢出光束,并用一个新的完整束代替,这可以在非常小的注射孔中操作。这一操作比听起来要难,因为它必须以皮秒的精度完成。

Bartolini预测,换出将被用于其他正在开发的第四代X射线同步加速器。其中包括中国的高能光子源,它将于明年开始运行,以及Bartolini正在研究的DESY的3号光子源的拟议重建。“我不能保证我们会做同样的事情。”他说,“但我敢肯定,其他项目也在考虑类似的方案。”

 
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