原子級分辨率：該設(shè)施是專門設(shè)計來幫助科學(xué)家們研究那些不超過1微米的生物分子和單個粒子的。

European XFEL（或稱EuXFEL）——目前世界上最大的X射線自由電子激光器[1]——于2017年5月制造出了第一束激光脈沖。該設(shè)施建于德國漢堡附近一條長達(dá)3.4公里的隧道內(nèi)，于去年9月正式投入使用。2018年8月，第一篇基于利用它進(jìn)行的實驗撰寫的科學(xué)論文[2]發(fā)表，這是該設(shè)施的另一個里程碑式事件。在這篇論文中，作者們使用它來探測蛋白質(zhì)微晶的3D結(jié)構(gòu)。

當(dāng)該設(shè)施達(dá)到全面運(yùn)行狀態(tài)時，肯定會產(chǎn)出更多的研究成果。已經(jīng)有來自20個國家的500多名研究人員訪問了該設(shè)施，以研究晶體材料、生物分子、病毒的結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)。目前有2個實驗站可供科學(xué)界使用，但到2019年，該設(shè)施將有6個提供來自3個X射線激光器的脈沖的實驗站。當(dāng)前設(shè)計里的冷卻要求限制了它每秒發(fā)送不超過27,000個脈沖，但研究人員設(shè)想使其能發(fā)送連續(xù)的脈沖流。

在EuXFEL中，電子首先通過一個直線加速器，該加速器安裝在一條2.1公里長的隧道中，并裝有超導(dǎo)腔。無線電波在這些超導(dǎo)腔內(nèi)產(chǎn)生交替的正負(fù)電場。電子被匯集成束，在電場為正時進(jìn)入每個空腔。注入第一腔的電子得到加速后進(jìn)入第二腔。每個新腔都能為電子提供能量。

能量高達(dá)17.5千兆電子伏特（GeV）的電子從加速器中射出，并被注入三個由一系列永磁體組成的所謂的振蕩器中。磁體具有交替變換的極性，這會迫使電子在穿過磁體兩極之間的間隙時沿著彎曲的正弦曲線路徑行進(jìn)。每當(dāng)一個電子從其路徑偏離時，它就會發(fā)出輻射。然后，在每個磁體處產(chǎn)生的X射線波向前傳播，并與來自所有其他磁體的波結(jié)合，產(chǎn)生相干的、針樣尖細(xì)的脈沖束。

超導(dǎo)腔允許加速器一次加速多達(dá)27,000束電子，這些電子束在波蕩器中產(chǎn)生相同數(shù)量的X射線脈沖，并產(chǎn)生極高分辨率的光束。由于如此快速地產(chǎn)生如此多的脈沖，研究人員可以實時跟蹤化學(xué)反應(yīng)和分子間的相互作用。

EuXFEL常務(wù)董事Robert Feidenhans'l說：“高重復(fù)率是我們的優(yōu)勢。”EuXFEL為每個實驗產(chǎn)生的數(shù)據(jù)比任何其他X射線自由電子激光器（比如位于斯坦福大學(xué)的美國能源部的直線加速器相干光源LCLS[3]）產(chǎn)生的都多。這使得EuXFEL更適用于做小而復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)（如蛋白質(zhì)）的研究。

例如，當(dāng)被X射線脈沖轟擊時，分子可以形成衍射圖案，但是脈沖會破壞分子。因此，為了研究分子的結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們必須通過將新的、未受損的分子嵌入穿過X射線路徑的液體流中，不斷地向脈沖提供新的、未受損的分子。

歐洲、澳大利亞和美國的研究人員使用了這種方法，他們在8月份發(fā)表了關(guān)于蛋白質(zhì)的這第一篇論文。他們將尿素酶（存在于植物種子和動物組織中的一種酶）和在刀豆中發(fā)現(xiàn)的另外兩種蛋白質(zhì)混合到液體中，并將其噴射到激光的路徑上。脈沖不斷撞擊新的微晶，并收集其中許多微晶的衍射圖案，使研究人員得以重建刀豆蛋白質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。

這種方法還可以讓科學(xué)家們創(chuàng)造出“分子電影”——通過記錄單個原子的運(yùn)動來展示原子在化學(xué)反應(yīng)中的行為，或者讓科學(xué)家們可以去研究液體射流中存在的病毒的行為。

羅格斯大學(xué)的物理學(xué)家、這篇微晶論文的共同作者Claudiu Stan說，EuXFEL的高重復(fù)率也加快了實驗速度，并允許更多的研究人員使用該設(shè)施。LCLS每秒發(fā)送120個脈沖，脈沖之間的間隔是8毫秒。而EuXFEL每秒可以產(chǎn)生100萬個脈沖，盡管它在快速爆發(fā)時每秒發(fā)送的脈沖不能超過27,000個。在這些爆發(fā)期間，脈沖之間的間隔是222納秒。

自由電子激光科學(xué)中心（位于漢堡）的研究者Anton Barty于2017年9月在EuXFEL領(lǐng)導(dǎo)了第一個實驗。該實驗為利用該設(shè)備所進(jìn)行的研究所產(chǎn)出的第二篇論文[4]提供了數(shù)據(jù)。“從加速器到探測器，涉及到如此多的新技術(shù)，以至于我們認(rèn)為會有地方出問題。然而令人驚訝的是，我們從第一周起就得到了可公布的結(jié)果。”他回憶說。

除探索蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)外，EuXFEL還將幫助研究人員研究極端條件下物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，以及物質(zhì)暴露于極強(qiáng)磁場時的表現(xiàn)。Feidenhans’l說：“在這些條件下研究超導(dǎo)和電子材料，將是非常有趣的?！?/p>

LCLS-II

位于斯坦福大學(xué)SLAC國家加速器實驗室的LCLS是世界上第一臺產(chǎn)生X射線脈沖的激光器。LCLS于2012年上線，每秒發(fā)送120個脈沖，在2017年，European XFEL問世之前，它是同類型中最強(qiáng)大的設(shè)備。不過，到2020年，European XFEL又會被LCLS的繼任者LCLS-II超越LCLS-II的能力有望開啟化學(xué)反應(yīng)、生物化學(xué)、材料科學(xué)和固態(tài)物理研究的新紀(jì)元。

了解一下LCLS-II：

每秒產(chǎn)生100萬個脈沖

產(chǎn)生的X射線激光束的亮度是LCLS的10,000倍

將可調(diào)諧光子能量范圍擴(kuò)展到25千電子伏特

預(yù)計將于2020年下半年開始首次投入使用