作者小格伦·罗伯茨
劳伦斯·伯克利国家实验室 一名工人在美国国家加速器实验室检查软x光波动器
右侧可见硬x光波动器
(学分:SLAC国家加速器实验室) 就在十多年前的2009年4月，世界上第一台硬x光自由电子激光器(XFEL)在美国产生了它的第一束光
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能源部国家加速器实验室
直线加速器相干光源(LCLS)产生的x光脉冲比以前任何东西都亮十亿倍
从那以后，它的性能使许多科学领域有了新的基本见解，从创造化学作用的“分子电影”，到为新一代药物研究蛋白质的结构和运动，再到在我们太阳系的巨大行星中创造“钻石雨”的过程的复杂化
这一领域的下一个重大步骤于2013年启动，启动了LCLS二号升级项目，将x光激光的功率提高了数千倍，每秒产生100万个脉冲，而今天每秒产生120个脉冲
这一升级预计将在未来两年内完成，美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)是做出重大贡献的合作者之一
今天，升级的第一阶段开始运行，第一次使用新安装设备的一个关键元件产生x光束
“LCLS二号项目代表了美国五个国家实验室的共同努力
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，以及来自大学社团和能源部的许多同事，”SLAC的主任高志昌说
“今天的成功反映了持续的合作伙伴关系和协作的巨大价值，使我们能够构建独特的世界领先的工具和能力
" XFELs分两步工作
首先，它们将强大的电子束加速到接近光速
然后，他们将电子束通过一个名为波荡器的装置中一系列精密调谐的磁铁，波荡器将电子能量转换成强烈的x光脉冲
这些爆发只有十亿分之一秒长——如此之短，以至于它们可以捕捉到化学键的诞生，并产生原子分辨率的图像
LCLS二号项目将改造该设施的两个元素——安装一个全新的加速器，使用低温超导技术在自由电子激光器中实现前所未有的重复率，以及可以精确控制x光束的波动器
除了监督所有“硬”或更高能量的x光波荡器部分的建设和交付，使最新的里程碑，伯克利实验室还为LCLS二号项目做出了其他几项贡献
伯克利实验室设计并监督了低能量“软”x光束线波动器的建造和交付；设计、制造并交付提供电子束的高亮度注入源；并且正在合作领导低水平射频(LLRF)控制系统的硬件和软件开发，该系统有助于控制作为软x光线一部分的超导加速器
伯克利实验室预计将在LCLS二号高能升级项目中发挥作用，该项目将使硬x光加速器的电子能量加倍
强大而精确 在过去的18个月里，最初的LCLS波动器被移除，取而代之的是两个新系统，它们提供了引人注目的新功能
每一条波动线都包含数千个永久磁铁，延伸超过100米；它们一起产生了比地球磁场强几万倍的磁场
这产生了相当于几吨重量的力，同时保持了将磁铁保持在人类头发百分之一宽度内的结构的刚性
新的硬x光波动器是由美国能源部阿尔贡国家实验室设计的原型，由阿尔贡和伯克利实验室设计，由伯克利实验室建造，并在过去的一年里安装在SLAC
软X射线和硬X射线可以探测不同的样本类型和属性
由超导加速器驱动的LCLS二号软x光波动器还没有经过测试
今天，硬x光系统展示了它的性能，为未来的实验活动做好了准备
SLAC加速器控制室的科学家们通过波动器中的磁铁阵列引导来自现有LCLS加速器的电子束
在短短几个小时的过程中，他们产生了第一个x光信号，然后精确地调整了配置，用现有的波动器段实现了全x光激光性能
大多数硬x光波动器部分已经安装，其余部分计划在下个月交付和安装
伯克利实验室工程部门主任亨里克·冯·德·李佩说:“达到第一缕阳光是我们一直期待的里程碑。”
“这一里程碑式的事件表明，所有的辛勤工作和协作是如何造就了一个能够催生新科学的科学设施的
" 他补充道，“伯克利实验室在硬x光波动器设计和制造方面的贡献，利用了我们为科学设施提供波动器的经验，以及我们在机械设计方面的长期优势
看到多年来致力于工程部门团队交付满足所有期望的设备所取得的成果是令人欣慰的
" 伯克利实验室加速器技术和应用物理部门的临时主任托马斯·申克尔说:“这是一个很好的例子，说明了我们的科学基础和工程专业知识是如何结合在一起的
他补充道，“实验室拥有数十年设计和建造当代最先进的波动器的经验，我们期待继续以这种方式为美国能源部的研究综合体做出贡献。”
" 新波动器的科学影响将是巨大的
一个主要的进步是磁体之间的间隔可以根据需要改变，允许发射的x光的波长被调整以匹配实验的需要
研究人员可以用它来精确定位分子中选定原子的行为，这将增强我们跟踪先进太阳能应用的能量流动和存储的能力
今天展示的波动器将能够使LCLS的峰值x光能量加倍
这将为材料在原子水平上如何应对极端压力以及新的量子现象的出现提供更高精度的见解
这个视频展示了一系列精心设计的弹簧是如何抵消被称为硬x光波动器部分的强大磁性设备中的磁力的
弹簧力必须与这些部分中的磁力完全匹配，以保持它们在百万分之一英寸内对齐
这些片段包含500多个磁铁，大约13英尺长
由32个这种波荡器组成的链段将被用于美国国家加速器实验室的LCLS二号x光激光器，从一个强大的电子束中产生x光
视频还展示了在伯克利实验室进行磁体测量的波动器片段
学分:马特豪斯·莱特纳和玛丽莲·萨金特/伯克利实验室 “面条”:一种独特的、富有挑战性的波动器设计 完成的硬x光波动器将有32个部分
每个片段重2
3吨，长约13英尺
硬x光波动器段的设计是独特的，因为它基本上将传统的波动器设计旋转了90度，这也提出了独特的工程挑战
为了适应SLAC的波动隧道，波动段必须比平常薄得多——伯克利实验室的工程师称这种设计为“面条”
“这种设计还使钢支架(或称强力支架)更容易受到不必要的弯曲，因为它们必须承受大约4吨的磁力
波荡器独特的旋转设计要求每个波荡器部分有大约150个弹簧的阵列，可以精确调整以保持数百个磁体对齐
但是，即使是微小的温度变化，以及简单的机械加工，比如用螺栓连接新的部件，都会使坚固的背部支撑结构发生超出允许范围的变化——这些装置必须保持在1000万分之一米以内
因此，这些部分的早期设计必须完全重新考虑，马特豪斯·莱特纳说，他是伯克利实验室LCLS二号波动器的首席工程师
“很长一段时间，我们都没有一个解决方案，”莱特纳说
“我们基本上不得不改变设备的每个独立组件
这是高技能工程师和技术人员的团队努力
" 约翰·科莱特曾担任伯克利实验室LCLS二号项目的高级团队负责人，现在是实验室项目管理官员，他说:“这是一个非常具有挑战性的机械工程问题
这是SLAC、柏克莱和阿尔贡实验室合作的成果
我们举办了许多研讨会，我们一起努力解决问题
我们在项目所需的非常短的时间内成功做到了这一点，这真是太棒了
" 莱特纳补充道，“伯克利实验室的一大优势是工程资源的组合
如果出现问题，我们可以立即投入大量资源来解决问题
我们可以在几个月内解决这个看似无法解决的问题
这太不可思议了
这是可能的，因为我们有大规模的工具，精密的测量设备和优秀的工程支持设备
" 伯克利实验室的工程师也付出了巨大的努力，与制造和组装波动器的三家供应商合作并对他们进行培训
伯克利实验室利用其磁性设计和测量能力，开发了精确的方法来组装和有效地调整波动器
莱特纳指出，硬x光波荡器独特的旋转设计将最终通过在实验中向样品输送更多的x光来提高x光激光器的性能
他说:“这大大提高了硬x光的可用输出功率。”
莱特纳和科利特说，这种被称为垂直偏振的设计，很可能会被其他x光自由电子激光器和光源采用，因为这种能力的设计挑战已经解决了
“以前从来没有这样做过，”科莱特说
后续步骤 波荡器之外是前端外壳(FEE)，它包含一系列光学、诊断和调谐设备，为特定实验准备x光
这些镜子包括世界上最平、最光滑的镜子，长度为一米，但高度相差仅一个原子的宽度
在接下来的几周里，这些光学元件将接受测试，为未来六个月由世界各地的研究人员进行的80多项实验做准备
“今天标志着x光科学的LCLS二号时代的开始，”LCLS导演迈克·邓恩说
“我们当前的任务是使用这种新的波动器来研究非典病毒的内部运作
接下来的几年里，我们的设施将会发生惊人的变化
接下来将是软x光波动器，它被优化用于研究原子和分子之间的能量流动，从而研究新型能源技术的内部工作原理
除此之外，新的超导加速器将把我们的x光能量提高成千上万倍
" 他补充道，“未来是光明的，就像我们在x光激光世界中常说的那样
"
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