性能達“怪獸”級別的激光器，以超高發(fā)射頻率拍攝達原子分辨率照片

用這架機器來(lái)看地球上的所有東西，都像是進(jìn)入到一個(gè)全新未知的領(lǐng)域。

據悉，歐洲價(jià)值12億歐元的X射線(xiàn)自由電子激光器（XFEL）將于九月份在德國漢堡開(kāi)始運行。

這款激光器是以幾百飛秒的脈沖來(lái)激發(fā)出強大的X射線(xiàn)，射線(xiàn)的發(fā)射就像是閃光燈一樣，通過(guò)它科學(xué)家可以捕獲短暫時(shí)間內抖動(dòng)分子的圖像，并且由于其發(fā)射頻率很高，所以波長(cháng)足夠小，因而該機器得出的圖像可以達到原子大小的分辨率。

具體來(lái)看，首先一束電子沿著(zhù)一條長(cháng)1.7公里的隧道加速，隨后磁體通過(guò)施加磁力，讓電子沿回旋軌道運動(dòng)，最后電子在回旋軌道的出口處將會(huì )發(fā)射出一束高能X射線(xiàn)。該射線(xiàn)的包含的能量十分強大，能夠摧毀一切物體，但是激光器的速率非常之高，所以可以在物體被摧毀之前記錄下物體的結構。

在常規X射線(xiàn)源的結構測定實(shí)驗中，分子必須包裝在晶體中以散射足夠的光子以推斷其結構。但是，XFEL的X射線(xiàn)包含了大量光子，研究人員可以從大約幾納米的晶體，甚至從分子的非結晶聚集的晶體中收集衍射圖，這意味著(zhù)XFEL可以用于研究難以結晶的蛋白質(zhì)。通過(guò)XFEL，研究人員可以通過(guò)在不同的時(shí)間點(diǎn)對酶、病毒或催化劑等物質(zhì)進(jìn)行快照。

這部大的激光器是世界上僅有的幾部機器之一，但它的特色絕不在于其超大的體型，而是其具有無(wú)與倫比的發(fā)射速率，據了解，它每秒可以發(fā)射出2.7萬(wàn)個(gè)脈沖。目前，位于加利福尼亞州門(mén)洛帕克的SLAC國家加速器實(shí)驗室的百萬(wàn)匹配線(xiàn)性相干光源（LCLS）的速率僅次于該發(fā)射器的速率，但與LCLS相比，該激光器的發(fā)射速率比其高出200倍。

坦佩亞利桑那州立大學(xué)的物理學(xué)家John Spence進(jìn)一步解釋道：“它通過(guò)收集同一粒子在不同狀態(tài)下的大量快照，以構建粒子運動(dòng)范圍的復合圖像。XFEL的高脈沖速率使這一過(guò)程更快，因此可以為更小的個(gè)體顆粒積累結構數據。”

Mancuso還表示，在這臺設備上，科學(xué)家們能夠收集3000多張優(yōu)質(zhì)的X射線(xiàn)照片，而在其他設備上則只能收集100多張X射線(xiàn)照片。對此，密西根州威斯康星大學(xué)的物理學(xué)家Abbas Ourmazd表示，有大量數據十分重要。

此外，從硬件上來(lái)看，這臺激光器的設備容量比其競爭對手要大的多。與其他XFEL相比，德國漢堡的這臺機器有三個(gè)獨立的波動(dòng)器來(lái)同時(shí)產(chǎn)生X射線(xiàn)束，其中每秒可產(chǎn)生2.7萬(wàn)個(gè)脈沖。

對于這臺發(fā)射器，德國漢堡自由電子激光科學(xué)中心的生物化學(xué)家Arwen Pearson說(shuō)：“用這架機器來(lái)看地球上的所有東西，都像是進(jìn)入到一個(gè)全新未知的領(lǐng)域，這架發(fā)射器絕對是一頭與眾不同的‘怪獸’。”

但是，據了解，歐洲XFEL只會(huì )在一段時(shí)間內占據首位。因為，SLAC表示，今年開(kāi)始建設一個(gè)價(jià)值10億美元的項目，以發(fā)射包含更多光子的激光束。并且SLAC預計，到2020年初，他們能夠完成每秒產(chǎn)生100萬(wàn)次脈沖的目標。

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