重建的美国X射线源迎来新生

在耗资8.15亿美元、历时14个月的重建之后，美国首屈一指的X射线同步加速器—— 一台用于研究材料和分子原子结构的大型机器，重新焕发了生机。

  ?

在新的APS内循环着一束比人类头发还窄的强电子束。图片来源：ARGONNE NATIONAL LABORATORY

据《科学》报道，近日，位于阿贡国家实验室的新型先进光子源（APS）向实验人员发射了第一束X射线。一旦调试完毕，新的APS—— 一个1.1公里长的环形粒子加速器，将成为世界上最亮的X射线同步加速器，而这要归功于一个大胆的维持产生X射线的电子束强度的新方案。

“这是对科学技术的开创性贡献。”德国电子同步加速器（DESY）实验室加速器物理学家Riccardo Bartolini说。

美国布鲁克海文国家实验室加速器物理学家Timur Shaftan说：“就性能特征而言，APS确实走在了前面。”他表示，新光源更明亮、更像激光的X射线束将使每年使用APS的近6000名科学家能够开发新的实验技术。

当高能电子在同步加速器内循环时，它们会发射出X射线，有点类似于越野车在转弯时踢起石头。X射线同步加速器的亮度是医用X光机的数万亿倍，已经多个领域发生彻底改变。

第一代X射线同步加速器源出现在20世纪70年代，当时研究人员只是从为粒子物理实验建造的加速器中虹吸X射线。20世纪80年代，第一台专用X射线同步加速器建成。20世纪90年代出现了第三代X射线同步加速器，包括最初的APS，位于法国的欧洲同步辐射光源（ESRF）和日本的8GeV超级光子环，它们使用更强、更紧凑的电子束来产生更亮的X射线束。它们还使用了一种名为波动器的特殊磁体，使电子协同摆动，并能比第二代使用的更粗糙的摆动磁体更有效地辐射。

X射线同步加速器已经问世。2016年，瑞典的一个较小的X射线同步加速器MAX-IV部署了更多的聚焦磁铁和弯转磁铁，以产生更紧凑的电子束，从而产生更紧密、更明亮的X射线束。ESRF紧随其后，安装了一个类似设计的环——极亮源（EBS）。ESRF- EBS于2020年竣工，比旧的ESRF亮100倍，比旧的APS亮约60倍。

从2023年4月开始，工人们在不到一年的时间里拆除了旧的APS并安装了一个新的加速器。新环的电子束甚至比ESRF-EBS的电子束更紧凑，它的发射度，即光束大小和传播趋势的衡量标准，只有ESRF-EBS的1/3。Bartolini说，这意味着电子束应该辐射出更明亮、更连贯的X射线，这种X射线的作用更像是平滑的波，而不是像枪林弹雨。

设计一台具有如此低发射率光束的机器也带来了问题。当电子在同步加速器周围旋转时，一些电子会飞出并丢失，这会削弱电子束并使X射线变暗。早期的 X 射线同步加速器解决这个问题的方法是每天两三次释放光束，然后重新开始。旧的APS开创了一种名为“补充”的技术，每一两分钟补充一次电子束，使其能够24小时提供恒定亮度的X射线。但这种技术在新的APS上不起作用。

在同步加速器中，电子以小束的形式运动。“补充”技术需要找到最接近耗尽的电子束，并通过注入电子来恢复它。阿贡国家实验室加速器物理学家Michael Borland说，在最初的APS中，必须将额外的电子注入到离电子束15毫米以内的地方。但在新的APS系统中，这个“窗口”小于5毫米——太小了，无法击中目标。

取而代之，Borland和同事实施了一项叫作“交换”的方案。在该方案中，高压电极将耗尽的电子束完全踢出光束，并用一个新的完整束代替，这可以在非常小的注射孔中操作。这一操作比听起来要难，因为它必须以皮秒的精度完成。

Bartolini预测，换出将被用于其他正在开发的X射线同步加速器。其中包括中国的高能光子源，它将于明年开始运行，以及Bartolini正在研究的DESY的3号光子源的拟议重建。“我不能保证我们会做同样的事情。”他说，“但我敢肯定，其他项目也在考虑类似的方案。”