通過一種產生強力X射線束的新方法，科學家正在使以驚人分辨率繪製物質的3D圖像成為可能。不久前，這個“極端明亮X射線源”（Extremely Brilliant Source，簡稱EBS）在法國的歐洲同步加速器輻射裝置（European Synchrotron Radiation Facility，簡稱ESRF）正式啟用，科學家已經用它來研究導致新冠肺炎的冠狀病毒。

這些X射線可以對化石、大腦、電池和無數其他有趣的東西進行內部成像，直到原子尺度，揭示前所未有的信息，從而促進科學研究。

位於法國格勒諾布爾的歐洲同步加速器輻射設施

當人們遭遇骨折時，會到醫院拍攝X光片，這些典型的醫用X光片可以向醫生展示骨折部位及其周圍組織的詳細信息。X射線在穿透人體時，會被不同的組織以不同的速率吸收；在穿過身體之後，這些射線就會撞上探測器，形成我們熟悉的黑白X射線圖像。EBS所產生的X射線威力將是醫院使用的X射線的10萬億倍。有了這樣的X射線束，科學家可以繪製出骨折部位的三維圖像，其細節之詳細，甚至骨折周圍血細胞中的單個原子都可以看到。當然，你肯定不想被這種X射線束擊中——這種劑量的輻射是致命的。

EBS似乎將開啟無窮無盡的可能性。特別令ESRF主任弗朗西斯科·塞特興奮的一個領域是對大腦結構和功能的研究，這可能最終將開發出類似大腦的電子產品。塞特說：“這將是一場重大的革命，不僅對神經科學如此，對所有可能將人類大腦結構用於新一代設備的應用程序而言也是如此。”

利用同步X射線成像技術，工程師們可以深入了解創新材料，為航空和納米電子等領域提供幫助。古生物學家可以研究化石內部的微小結構，而不需要破壞這些標本。2020年夏季，最初進行該研究的科學家中，已經有一些人利用EBS對死於新冠肺炎的人進行了完整的肺部成像，他們在微觀層面上識別了這種病毒造成的損傷，這是以前從未觀察過的。

一位研究人員正在利用歐洲同步加速器的光束線進行工作

同步加速器是一種簡單的粒子加速器，利用磁場將帶電電子加速到極高的能量，從而使電子發出X射線——也被稱為同步輻射光。與大型強子對撞機不同，在同步加速器圓環上快速“轉圈”的粒子並不會相互碰撞。快速圓周運動的電子產生的X射線會被從加速器圓環中虹吸出來，進入44個專門的實驗室，即光束線（beamline）。然後，研究人員利用這些光束對目標進行成像。近幾十年來，以同步加速器為基礎的科學已經幫助推動了許多突破，包括最近使研究人員能看到未孵化的恐龍蛋的內部結構，以及讀取了一本被火山摧毀的古書。

位於法國格勒諾布爾的ESRF自1994年開始運作。之前該設施已經具有世界上最強大的X射線源，而今年的升級將其性能提高了100倍。該設施於2018年12月關閉，開始向EBS過渡。幸運的是，新冠肺炎大流行並沒有推遲8月25日的正式啟用，該項目也比原計劃提前了近五個月。塞特表示，研究人員已經在使用這些X射線束，最近進行的同步加速器工作的第一批結果應該很快就會發表。

使這一重大升級成為可能的是一種新穎的設計，一個由1​​100個磁體組成的晶格，驅動著電子在一個長844米的圓環內運動。這些磁鐵不僅能加速電子前進，還能給它們輕微的助力，改變它們的方向。這些方向上的微小變化是產生X射線的關鍵。

“當帶電粒子的軌道偏離時，就會產生光，”塞特解釋道，“這種光就是我們所說的同步輻射光。”

這是一個簡單的能量守恆定律。當你將電子束彎曲，使其沿環形而不是直線運動時，電子每次改變方向都會損失一點能量。這些損失的能量以光的形式存在。為了讓發射的光在X射線頻率範圍內，你需要提供更強的磁“助力”。新的磁晶格設計使電子束連續彎曲和重新聚焦成為可能，無需更大的環形設備就能產生大量的高能X射線。

另一個可能受到EBS顯著推動的領域是組織學，即生物組織的微觀研究。現在，組織學家研究組織的方法是將組織切片成許多極薄的樣品，並用染料染色以顯示其微觀結構。採用同步成像，樣品就無需切片染色；研究人員還可以對它們進行整體成像，創造出高分辨率的三維掃描圖像，顯示更多更詳細的解剖結構信息。

“這被稱為’3D納米組織學’，是醫學界的一個夢想，”塞特說，“它代表了組織學研究領域的一次徹底革命。”

維克托·岡薩雷斯是荷蘭阿姆斯特丹國立博物館科學部的博士後研究者，他曾使用上一代歐洲同步加速器進行過研究。岡薩雷斯經常使用同步加速器成像技術來研究幾個世紀前的繪畫樣本。他最近的工作揭示了倫勃朗繪畫技巧的細節。

“對我的研究團隊來說，ESRF的升級非常重要，”岡薩雷斯說，“該設施新升級了​​最先進的分析能力，將使我們能夠更快地分析珍貴的樣本。一個過去需要幾天時間的實驗，現在只需一個下午就能完成！這意味著我們突然間就擁有了大量數據，為理解歷史顏料層的化學機制提供了新的機會。”

現在，EBS已經建立並運行，世界各地的科學家可以申請使用光束線的時間。這是一個競爭的過程——科學家在獲得使用同步加速器的機會之前，研究申請必須經過同行審查。不過，有了新的升級，原本需要幾週時間的實驗現在可以在一天內完成；曾經需要一天的工作現在只需要幾分鐘。在接下來的幾個月裡，或許就將出現大量令人興奮的新科學成果。