SLAC 于 2024 年 3 月 5 日收到了杰斐逊实验室的第二个 LCLS-II-HE 低温模块。按照 Jefferson Lab 的风格，它被装饰和交付以庆祝最近的节日——这次是圣帕特里克节。图片来源：Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC 国家加速器实验室

美国能源部 （DOE） 已批准开始进行高能升级，这将进一步提高美国能源部 SLAC 国家加速器实验室的直线加速器相干光源 （LCLS） 的性能，这是世界上最强大的 X 射线自由电子激光器 （XFEL）。

升级完成后，科学家们将能够以前所未有的精度探索原子级过程，并以前所未有的方式解决储能、催化、生物学、材料科学和量子物理学中的基本问题。

“LCLS 的高能升级巩固了实验室作为 X 射线和超快科学世界领导者的地位，”SLAC 实验室主任 John Sarrao 说。“在能源部科学办公室和我们的合作伙伴实验室的关键支持下，升级完成后将为科学发现和创新开辟新的途径。这将继续吸引顶尖人才，并促进跨多个学科的开创性研究。

2023 年，SLAC 庆祝了 LCLS-II 项目的完成，该项目增加了一个超导加速器、两个新的磁性结构（称为起伏器，用于从电子束产生软硬 X 射线），以及其他重大技术飞跃，使该设施每秒能够产生高达 100 万个 X 射线脉冲，比其前身多 8,000 倍。

名为 LCLS-II-HE 的新升级项目将使从超导电子加速器发出的电子束的能量增加一倍，这将使最大 X 射线能量增加一倍以上，并将“硬”或高能 X 射线的平均 X 射线亮度性能提高 3,000 倍。

“LCLS-II-HE 升级将是 DOE 基础能源科学和更广泛的科学界科学使命的变革性进步，”LCLS 主任 Mike Dunne 说。“如果说 LCLS-II 升级使高质量的电影摄像机能够捕捉清晰详细的图像，那么 LCLS-II-HE 升级则大大提高了该摄像机的分辨率和灵敏度。

“科学家们将能够对材料、化学系统和生物复合物的原子尺度运动进行成像，以应对我们社会面临的一些最关键的挑战。”

凭借 2024 年 9 月有利的关键决策 2 和 3 （CD-2/3），美国能源部正式批准了 $716M 项目的建设，这代表了 X 射线激光技术的重大进步。

当 LCLS 于 2009 年启动时，它是世界上第一台产生硬 X 射线的自由电子激光器。从那时起，类似的光源在世界各地如雨后春笋般涌现。LCLS-II 升级显着提高了该设施的功率，超过了世界上任何其他设施。

作为 LCLS-II 升级的一部分，新的超导加速器由 37 个低温模块组成，这些模块被冷却到 -456°F（比外太空还冷），在这个温度下，它可以将电子提升到高能量，能量损失几乎为零。

这些低温模块由美国能源部的费米国家加速器实验室 （Fermilab） 设计，该实验室与托马斯杰斐逊国家加速器设施 （Jefferson Lab） 合作，分享其构造和测试。劳伦斯伯克利国家实验室 （Berkeley Lab） 和阿贡国家实验室设计了用于产生 X 射线的波浪器。

SLAC 与这些国家实验室以及密歇根州立大学的稀有同位素束设施 （FRIB） 合作，再次开展 LCLS-II-HE 升级项目。费米实验室和杰斐逊实验室正在构建和测试一组 23 个新的低温模块，每个模块都包含 8 个超导射频腔，这些腔采用最新技术以提高性能。

高能升级将使用现有的硬 X 射线起伏器，SLAC 将再次与伯克利实验室合作，对软 X 射线起伏器进行修改，以便两者可以与新光束同时使用。

由于美国能源部事先批准采购这些长交货期组件，准备在 2025 年底前开始安装在 SLAC 加速器隧道中，低温模块的制造和交付已经在顺利进行中。迄今为止，已经生产了大约 95% 的腔体，并向 SLAC 交付了 10 个低温模块。

测试表明，这些模块的性能水平至少比为 LCLS-II 升级生产的低温模块高一倍半，这表明该领域的快速变化。

“团队合作和协作推动了 XFEL 技术的突破性进步，实现了在超快时间尺度上对原子和分子结构的前所未有的探索，”LCLS-II-HE 项目总监 Greg Hays 说。

“这项集体努力利用了全国数百名科学家、工程师和技术人员的专业知识，并与来自世界各地的专家建立了长期合作伙伴关系。DOE 科学办公室在成功完成复杂的大型项目方面有着令人自豪的历史。LCLS-II-HE 升级是该系列中的最新产品，我们很高兴进入交付的最后阶段。

LCLS-II-HE 升级将使人们深入了解支撑我们周围许多复杂世界功能的原子级动力学——从清洁能源到可持续性，再到先进制造和人类健康。这些领域的解决方案取决于我们对预测理解的转变，以及在决定其运作方式的基本时间和长度尺度上控制复杂物质、材料和设备的能力。

例如，借助硬 X 射线和升级带来的更高灵敏度，科学家将能够深入研究固体和液体系统，以研究隐藏的表面、溶解的分子和纳米材料。这种能力对于开发可再生能源和催化剂的新想法至关重要，以帮助设计用于可持续制造、储能和太阳能转化为无碳燃料和电力的高效系统。

在生物医学科学领域，需要更深入的理解，将生物分子系统的结构进化与其功能联系起来。这对人类健康和生物安全至关重要，并为利用生化方法实现绿色工业、农业和能源解决方案提供信息。

通过高能量升级，LCLS 将能够绘制生物样品在功能过程中的全范围运动，并且首次在生理相关环境中进行，从而推动可以更有效地治疗疾病的新型靶向药物的设计。

此次升级将提供高分辨率工具来捕获新型材料和量子系统的行为，推动新一代超快计算机和通信系统的设计，旨在显著降低数据中心的能耗并提高电子设备的能源效率。

增强的 LCLS 还将通过生成前所未有的大量高质量数据来推动机器学习和 AI，这些数据可用于训练更准确的模型和加速科学发现 - 每天超过 1PB 的数据，相当于 100 万次电影下载。它将支持预测建模、自主实验和新算法的开发，从而增强这些科学领域的数据分析。