当前位置:首页 > 科普园地
美国直线加速器相干光源LCLS
时间 : 2011-06-18     

美国直线加速器相干光源LCLS


2009年4月,美国的直线加速器相干光源LCLS(Linac Coherent Light Source)在美国SLAC国家加速器实验室诞生。这个巨型激光器长130米,由2英里长的直线加速器的最后一公里将电子能量从4.3GeV加速到136 GeV,每次启动装置需花2小时。该装置建成耗时3年,而从计划提出到完成开工准备历时几乎10年。

自由电子激光器从高能电子束获得能量,这些高能电子通过一个交替极性的磁体阵列(波荡器),利用磁场控制电子的来回路径,并且释放光能。LCLS是世界上第一个发射硬X射线的自由电子激光器,输出波长在0.15 ~1.5nm之间可调谐,输出脉冲宽度可达80fs,每个脉冲包含10万亿个X射线光子。LCLS已经对科学家们开放,这将极大地推动科学技术的进步。

 

LCLS示意图

LCLS隧道中的永磁波荡器

 

为了满足各种应用需求,LCLS的输出可以在原子、分子和光科学领域的不同设备之间进行切换,这些设备包括光学聚焦和气体传输系统,可与LCLS的电子、离子和光子谱仪同步的高功率激光器,X射线相关光谱仪,X射线光泵浦-探测仪器,相干X射线成像仪,软X射线材料科学仪器,以及物质在极端条件下运行需要的一些仪器。

 

LCLS的谱仪

 

2009年,LCLS的研究人员第一次使用大功率X射线激光器发出直线连续光,此X射线已经比其他任何人造光源发出的脉冲亮度都要高,测试光的波长为0.15纳米(nm),是当时人类创造的最短波长同时具有最大能量的光。

LCLS在此后一年时间内并未发表科研成果,但却一直被视为激光领域“质的飞跃”或“里程碑式的杰作”。因为其完全不同于所有以前的激光器:这是国际上最早提出的第四代光源之一,亦是世界上第一个发射硬X射线的自由电子激光器。硬X射线通常定义为能量较高、波长极短的X射线。

 

LCLS的波荡器

 

从原理上来看,LCLS首度结合了原子尺度空间和时间分辨率,以相干量子波的形式输出X射线,是研究人员从以往传统激光器发展出来的新型光源;从效果上来讲,LCLS亮度能比以往光源高10亿倍,产生脉冲短暂到百万分之二纳秒,为满足各种应用需求,LCLS的输出可以在原子、分子和光学领域的不同设备之间进行切换。科学家们预想,经过微调之后的LCLS的脉冲可帮助排列出众多材料的内部原子结构。作为在LCLS上完成的第一批实验结果,产生了“空心原子”。

 

电子被剥离的示意图

 

美国能源部已批准SLAC规划对LCLS进行升级改造。该改造项目称为LCLS-II,主要任务将集中在两个新的波荡器阵列上——用来从电子束产生X射线光的系列磁铁,以及改造现有的波荡器。完成后,该设施将产生多个可共同或单独运行的X光射线束流,具有前所未有的灵活性和对扩大X射线能量的控制,这是探索原子领域精确区域的关键。

 

LCLS-II的设计示意图

 

中国科学院大科学装置办公室  资料来自http://www.slac.stanford.edu/