在加利福尼亞州門洛帕克的地下30英尺處有一段半英里長的隧道現在比宇宙的大部分都要冷。它容納了一個新的超導粒子加速器，它是美國能源部(DOE)的SLAC國家加速器實驗室的利納克相干光源(LCLS)X射線自由電子激光器的升級項目的一部分。

工作人員成功地將加速器冷卻到零下456華氏度/2開爾文–在這個溫度下，加速器成為超導並能將電子提升到高能量，而在此過程中能量損失幾乎為零。這是LCLS-II產生X射線脈沖之前的最後一個里程碑，這些X射線脈衝的平均亮度為LCLS的10,000倍，每秒可到達100萬次–這是當今最強大的X射線光源的世界紀錄。

“在短短幾個小時內，LCLS-II將產生比目前的激光器在其整個生命週期內產生的更多的X射線脈衝，”LCLS的主任Mike Dunne說道，“曾經可能需要幾個月才能收集的數據可以在幾分鐘內產生。它將把X射線科學提升到一個新的水平並為一系列全新的研究鋪平道路、推進我們開發革命性技術的能力從而解決我們社會面臨的一些最深刻的挑”

有了這些先進的新能力，科學家們可以以前所未有的分辨率檢查復雜材料的細節來推動新形式的計算和通信、揭示罕見和短暫的化學事件從而教導人們如何創造更可持續的工業和清潔能源技術、研究生物分子如何執行生命的功能以開發新型藥品、通過直接測量單個原子的運動來窺探量子力學的奇異世界。

一個令人害怕的壯舉

LCLS作為世界上第一個硬X射線自由電子激光器(XFEL)於2009年4月產生了它的第一道光，其產生的X射線脈衝的亮度是以前的任何東西的10億倍。由於它是在室溫下通過銅管加速電子的，所以這限制了它的速率為每秒120個X射線脈衝。

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2013年，SLAC啟動了LCLS-II升級項目以將該速率提高到一百萬個脈衝並使X射線激光器的功率提高數千倍。為了實現這一目標，工作人員拆除了舊的銅質加速器的一部分並安裝了一系列37個低溫加速器模塊，這些模塊容納了珍珠般的一串鈮金屬空腔。這些模塊被三層嵌套的冷卻設備所包圍，每一層都會降低溫度，直到達到近乎絕對零度–在這個條件下，鈮腔會變成超導。

“跟為LCLS提供動力的銅質加速器在環境溫度下運行不同，LCLS-II超導加速器在2 kelvins下運行，僅比絕對零度高出約4華氏度，這是可能的最低溫度，”SLAC低溫部主任Eric Fauve說道，“為了達到這個溫度，linac配備了兩個世界級的氦氣低溫器，進而使SLAC成為美國和全球的重要低溫地標之一。在整個大流行期間，SLAC低溫團隊在現場工作、安裝和調試低溫系統並在創紀錄的時間內為加速器降溫。”

其中一個專門為LCLS-II建造的低溫器則將氦氣從室溫一直冷卻到絕對零度以上的液態並為加速器提供冷卻劑。

4月15日，新加速器首次達到了2K的最終溫度，今日（5月10日），加速器則已經準備好進行初始操作。

“冷卻是一個關鍵的過程，必須非常小心地進行，以此來避免損壞低溫模塊的情況發生，”SLAC加速器局局長Andrew Burrill說道，“我們非常興奮，我們已經達到了這個里程碑，現在可以專注於開啟X射線激光器了。”

賦予它生命

除了一個新加速器和一個低溫器外，該項目還需要其他尖端部件–包括一個新的電子源和兩串新的起伏器磁鐵，它們可以產生“硬”X射線和“軟”X射線。其中，硬X射線的能量更大，使研究人員能在原子水平上對材料和生物系統進行成像。軟X射線則可以捕捉到能量如何在原子和分子之間流動、跟踪化學作用並提供對新能源技術的見解。為了實現這個項目，SLAC跟其他四個國家實驗室–阿貢實驗室、伯克利實驗室、費米實驗室和杰弗遜實驗室–及康奈爾大學進行了合作。

杰斐遜實驗室、費米實驗室和SLAC匯集了他們的專業知識來研究和開發低溫模塊。在建造好低溫艙後，費米實驗室和杰斐遜實驗室對每一個低溫艙進行了廣泛的測試，然後用卡車將這些容器包裝並運往SLAC。杰斐遜實驗室團隊還設計並幫助採購了低溫器的元件。

“LCLS-II項目需要來自美國各地五個不同的能源部實驗室的技術人員、工程師和科學家組成的大型團隊及來自世界各地的許多同事的多年努力，”SLAC副主任兼LCLS-II項目主任Norbert Holtkamp說道，“如果沒有這些持續的伙伴關係及我們合作者的專業知識和承諾，我們不可能取得現在的成就。”

邁向第一條X射線

現在腔體已經被冷卻，下一步工作是用超過一兆瓦的微波功率對其進行泵送，從而加速來自新源的電子束。穿過空腔的電子將從微波中獲取能量，因此當電子穿過所有37個低溫模塊時它們的運動速度將接近光速。然後，它們將會被引導通過起伏器，進而迫使電子束走人字形路線。如果一切都排列得恰到好處–在人類頭髮寬度的一小部分範圍內–那麼電子將發出世界上最強大的X射線爆發。

這跟LCLS用於產生X射線的過程相同。然而由於LCLS-II使用的是超導腔而非基於60年曆史的暖銅腔，所以它可以每秒提供多達一百萬個脈衝，這是相同功率的X射線脈衝數量的一萬倍。

一旦LCLS-II產生其第一批X射線–預計將會在今年晚些時候發生，兩個X射線激光器將並行工作，這將使研究人員能在更廣泛的能量範圍內進行實驗、捕捉超快過程的詳細快照、探測脆弱的樣品並在更短的時間內收集更多數據和增加可進行的實驗數量。它將大大擴展該設施的科學範圍，進而使來自全美及世界各地的科學家能追求最引人注目的研究理念。