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欧洲将启用全球最大X射线激光器
来源:中国科学报      作者:赵熙熙      时间:2017-09-05 00:00      关键词:


研究人员很快就能在德国汉堡附近使用欧洲X射线自由电子激光器观察分子的活动。

图片来源:Heiner Müller-Elsner

本报讯 为运动的分子拍摄电影的科学家有了一部新的高速摄影机。斥资12.2亿欧元的欧洲X射线自由电子激光装置(XFEL)将于9月中旬在德国汉堡附近进行第一次实验。科学家认为,作为世界上最大的X射线激光设施,该装置的成功研发,开辟了全新的研究领域,有助于突破当前的科学知识界限。

欧洲XFEL能够在几百飞秒内发射出强大的X射线——就像闪光灯一样,它们可以捕捉到神经分子的快照,而且波长小到足以在原子分辨率上生成图片。

这部位于汉堡的机器是全世界数台X射线激光设施中的一个,但它拥有一个独特的速射特性:每秒可发射多达27000个脉冲,且发射速度超过排名第二的X射线激光设施——价值4.2亿美元的位于美国加利福尼亚州门洛帕克SLAC国家加速器实验室的直线性连续减速器光源(LCLS)的200倍,同时其亮度比传统的同步加速器光源亮度高出10亿倍。

“它是一个与地球上其他任何东西都不同的家伙,这感觉就像进入了一个未知领域。”汉堡自由电子激光科学中心生物化学家Arwen Pearson说。

位于汉堡附近的舍内费尔德欧洲XFEL实验站项目科学家Adrian Mancuso表示,在1秒钟内,科学家应该能够收集到超过3000张高质量的X射线图像,相比之下,其他的设施则是100张左右。威斯康星大学密尔沃基分校物理学家Abbas Ourmazd说:“拥有大量的数据很重要,欧洲的XFEL将会用卡车装载这些数据。”

这台欧洲机器应该能够减轻目前美国和日本老旧的XFEL所面临的压力,这是因为科学家急切地想要捕获其样本的原子尺度图像。另一台XFEL已于今年6月在韩国浦项市向用户开放,而瑞士维尔利根的一台机器将于2018年开始试验。

在汉堡的XFEL中,一束电子在一个长达1.7公里的隧道中首先被加速。随后,磁铁将电子的路径弯曲成摆动的轨道,导致它们在曲线上发出一束高能量X射线。明亮的X射线脉冲是如此强烈,以至于它们能够破坏所撞击的样本,然而在此之前,足够多的被散射的光子已经能够揭示样品的原子结构。

在使用传统X射线源的结构测定实验中,分子必须被装入晶体中以散射足够的光子从而推断其结构。但是,来自XFEL的X射线是如此明亮,以至于研究人员可以从几纳米大小的晶体中收集衍射图案,甚至可以从非晶体的分子簇中收集这些图案。这意味着XFEL可以研究难以结晶的蛋白质。

研究人员可以通过在不同的时间点上建立上千张不同的系统快照,从而制造酶、病毒或催化剂的影像,而此前研究人员是利用把溶液中的分子喷射到X射线束上实现这一切的。

研究人员指出,X射线激光不仅可用于解开病毒和细胞原子结构之谜,而且可被用于在纳米粒子中制作三维图像、记录化学反应并观察粒子内部的反应过程,有助于新药和新材料的研发。

欧洲XFEL全长3.4公里,共有11个国家参与该项目的建设,分别为丹麦、德国、法国、意大利、波兰、俄罗斯、瑞典、瑞士、斯洛伐克、西班牙和匈牙利。英国目前正在申请加入该研究项目。

汉堡的这台设备比其竞争对手拥有更大的容量:不像其他XFEL,前者有3个独立的波荡器,能够同时产生X射线束。但是欧洲的这台XFEL只会在有限的时间内占据统治地位:SLAC今年已开始建设一个价值10亿美元的项目,以创造一种更亮的激光束——到本世纪20年代初,它将能够每秒发射100万次脉冲。(赵熙熙)