在SLAC國家加速器實驗室的一個隧道中，被稱為波蕩器的磁鐵沿着隧道延伸約100米，一邊（右）産生硬X射線，另一邊産生軟X射線。圖片來源：SLAC國家加速器實驗室

12年前，物理學家研制出第一台X射線激光器，其對材料和分子研究具有革命性意義。但這種被稱為X射線自由電子激光器（XFEL）的裝置隻是部分類似于激光。與傳統激光器發出的純單波長光相比，它們産生的是混亂光束。現在，物理學家正在開發一種方案，利用完美的鑽石鏡使X射線脈沖更像普通激光束，甚至更有用。

現在有兩家機構正在加緊進行原理驗證實驗。“我對這種技術的潛力感到興奮。”德國馬克斯·普朗克化學能源轉換研究所的化學家Serena DeBeer說，“這種光束可以用來研究酶催化反應的内部機制。”歐洲XFEL的X射線物理學家Harald Sinn則提醒說，研制這樣複雜的XFEL可能需要10年時間，并不容易。

2009年，美國SLAC國家加速器實驗室的物理學家實現了“硬”X射線。他們用實驗室3公裡長的線性加速器“點燃”了世界上第一個XFEL——直線加速器相幹光源（LCLS）。此後，其他國家陸續建造了6個XFEL。

單個XFEL脈沖可以從一個納米尺寸的晶體上散射出來，并顯示後者的原子結構。但由于XFEL利用電子束密度的波動來産生X射線，因此，每個脈沖的強度不同，并且都有一個寬且随機分布的波長光譜。

美國阿貢國家實驗室的加速器物理學家Kwang-Je Kim說，為消除這些“噪聲”，物理學家轉向了一個醞釀了幾十年的想法，即提取一束電子産生的部分X射線脈沖，并及時将其反饋到波蕩器的入口，以便與下一束電子重疊。再循環的X射線将作為“種子”，使電子輻射更可預測。在重複的周期中，X射線脈沖會變得非常“平滑”，波長範圍隻有普通XFEL脈沖的1/1000寬。

然而，這個計劃需要非常特殊的晶體鏡。完美晶體應該以一定的角度反射X射線，同時起到濾光片的作用。這種晶體鏡一直是科學家的夢想。2010年，阿貢國家實驗室的X射線物理學家Yuri Shvyd ’ko和同事發現，小型人造鑽石能反射99%的X射線。幸運的是，XFEL的光束寬度不到100微米。Shvyd’ko說，“隻需要一個完美的小尺寸晶體。”

該計劃還需要一個高重複率的線性加速器，以确保X射線在繞鏡時遇到一束新電子。鑒于原來的加速器太慢，SLAC國家加速器實驗室正在安裝一個新加速器，從2022年開始，其将以每秒100萬次的速度運行。

來自阿貢國家實驗室、SLAC國家加速器實驗室和日本Spring-8實驗室的物理學家計劃用4塊晶體鏡在4個LCLS波蕩器周圍建造一個60米長的腔體。通過SLAC現有的加速器，他們将發射兩束相隔220納秒的電子通過波蕩器，并希望證明來自第一束的再循環X射線使第二束輻射更有效。該系統将于2023年啟動并運行。

歐洲XFEL的研究人員則計劃在2024年前進行一種稍微不同的嘗試。他們希望通過波蕩器發射多達2700個電子束，并能觀察到激光束在每次經過時變得更強、更平滑。德國漢堡大學的X射線物理學家Patrick Rauer在計算機上模拟了歐洲XFEL項目。他表示，該方案需要極高的精确度，将毫米大小的鑽石以百萬分之一的精度排列，“這将非常困難”。（文樂樂）

來源： 《中國科學報》

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