性能達“怪獸”級別的激光器，以超高發射頻率拍攝達原子分辨率照片

用這架機器來看地球上的所有東西，都像是進入到一個全新未知的領域。

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

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

具體來看，首先一束電子沿著一條長1.7公里的隧道加速，隨后磁體通過施加磁力，讓電子沿回旋軌道運動，最后電子在回旋軌道的出口處將會發射出一束高能X射線。該射線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射線源的結構測定實驗中，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XFEL可以用于研究難以結晶的蛋白質。通過XFEL，研究人員可以通過在不同的時間點對酶、病毒或催化劑等物質進行快照。

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，而是其具有無與倫比的發射速率，據了解，它每秒可以發射出2.7萬個脈沖。目前，位于加利福尼亞州門洛帕克的SLAC國家加速器實驗室的百萬匹配線性相干光源（LCLS）的速率僅次于該發射器的速率，但與LCLS相比，該激光器的發射速率比其高出200倍。

坦佩亞利桑那州立大學的物理學家John Spence進一步解釋道：“它通過收集同一粒子在不同狀態下的大量快照，以構建粒子運動范圍的復合圖像。XFEL的高脈沖速率使這一過程更快，因此可以為更小的個體顆粒積累結構數據。”

Mancuso還表示，在這臺設備上，科學家們能夠收集3000多張優質的X射線照片，而在其他設備上則只能收集100多張X射線照片。對此，密西根州威斯康星大學的物理學家Abbas Ourmazd表示，有大量數據十分重要。

此外，從硬件上來看，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獨立的波動器來同時產生X射線束，其中每秒可產生2.7萬個脈沖。

對于這臺發射器，德國漢堡自由電子激光科學中心的生物化學家Arwen Pearson說：“用這架機器來看地球上的所有東西，都像是進入到一個全新未知的領域，這架發射器絕對是一頭與眾不同的‘怪獸’。”

但是，據了解，歐洲XFEL只會在一段時間內占據首位。因為，SLAC表示，今年開始建設一個價值10億美元的項目，以發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生100萬次脈沖的目標。

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