重建的美國X射線源迎來新生

在耗資8.15億美元、歷時14個月的重建之后，美國首屈一指的X射線同步加速器—— 一臺用于研究材料和分子原子結構的大型機器，重新煥發了生機。

在新的APS內循環著一束比人類頭發還窄的強電子束。圖片來源：ARGONNE NATIONAL LABORATORY

據《科學》報道，近日，位于阿貢國家實驗室的新型先進光子源（APS）向實驗人員發射了第一束X射線。一旦調試完畢，新的APS—— 一個1.1公里長的環形粒子加速器，將成為世界上最亮的X射線同步加速器，而這要歸功于一個大膽的維持產生X射線的電子束強度的新方案。

“這是對科學技術的開創性貢獻。”德國電子同步加速器（DESY）實驗室加速器物理學家Riccardo Bartolini說。

美國布魯克海文國家實驗室加速器物理學家Timur Shaftan說：“就性能特征而言，APS確實走在了前面。”他表示，新光源更明亮、更像激光的X射線束將使每年使用APS的近6000名科學家能夠開發新的實驗技術。

當高能電子在同步加速器內循環時，它們會發射出X射線，有點類似于越野車在轉彎時踢起石頭。X射線同步加速器的亮度是醫用X光機的數萬億倍，已經多個領域發生徹底改變。

第一代X射線同步加速器源出現在20世紀70年代，當時研究人員只是從為粒子物理實驗建造的加速器中虹吸X射線。20世紀80年代，第一臺專用X射線同步加速器建成。20世紀90年代出現了第三代X射線同步加速器，包括最初的APS，位于法國的歐洲同步輻射光源（ESRF）和日本的8GeV超級光子環，它們使用更強、更緊湊的電子束來產生更亮的X射線束。它們還使用了一種名為波動器的特殊磁體，使電子協同擺動，并能比第二代使用的更粗糙的擺動磁體更有效地輻射。

第四代X射線同步加速器已經問世。2016年，瑞典的一個較小的X射線同步加速器MAX-IV部署了更多的聚焦磁鐵和彎轉磁鐵，以產生更緊湊的電子束，從而產生更緊密、更明亮的X射線束。ESRF緊隨其后，安裝了一個類似設計的環——極亮源（EBS）。ESRF- EBS于2020年竣工，比舊的ESRF亮100倍，比舊的APS亮約60倍。

從2023年4月開始，工人們在不到一年的時間里拆除了舊的APS并安裝了一個新的加速器。新環的電子束甚至比ESRF-EBS的電子束更緊湊，它的發射度，即光束大小和傳播趨勢的衡量標準，只有ESRF-EBS的1/3。Bartolini說，這意味著電子束應該輻射出更明亮、更連貫的X射線，這種X射線的作用更像是平滑的波，而不是像槍林彈雨。

設計一臺具有如此低發射率光束的機器也帶來了問題。當電子在同步加速器周圍旋轉時，一些電子會飛出并丟失，這會削弱電子束并使X射線變暗。早期的 X 射線同步加速器解決這個問題的方法是每天兩三次釋放光束，然后重新開始。舊的APS開創了一種名為“補充”的技術，每一兩分鐘補充一次電子束，使其能夠24小時提供恒定亮度的X射線。但這種技術在新的APS上不起作用。

在同步加速器中，電子以小束的形式運動。“補充”技術需要找到最接近耗盡的電子束，并通過注入電子來恢復它。阿貢國家實驗室加速器物理學家Michael Borland說，在最初的APS中，必須將額外的電子注入到離電子束15毫米以內的地方。但在新的APS系統中，這個“窗口”小于5毫米——太小了，無法擊中目標。

取而代之，Borland和同事實施了一項叫作“交換”的方案。在該方案中，高壓電極將耗盡的電子束完全踢出光束，并用一個新的完整束代替，這可以在非常小的注射孔中操作。這一操作比聽起來要難，因為它必須以皮秒的精度完成。

Bartolini預測，換出將被用于其他正在開發的第四代X射線同步加速器。其中包括中國的高能光子源，它將于明年開始運行，以及Bartolini正在研究的DESY的3號光子源的擬議重建。“我不能保證我們會做同樣的事情。”他說，“但我敢肯定，其他項目也在考慮類似的方案。”