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谁能造出最聚焦的X射线光源？ |
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全球同步加速器展开终极大决战 |
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瑞典MAX IV同步加速器的磁体 图片来源：DANFYSIK，TAASTRUP，DENMARK
每天，在世界各地的数十个同步加速器中，电子被束缚在储存环周围，以促使其发射X射线，用于材料成像、识别化学反应产品和确定晶体结构等。
但是，光子科学家不想仅停留在老式的储存环阶段。10多年来，他们一直梦想“终极的”储存环——使用专门的磁铁来产生X射线。
目前，美国伊利诺伊州阿贡国家实验室先进光子源（APS）的研究人员正在采取措施研发这项技术。在这个过程中，他们希望能在该领域的研发中抢得先机，超越几个国际设备已经获得的成就。
在瑞典，终极储存环技术由MAX IV首创。MAX IV位于隆德市，是一个圆周为528米的同步加速器。2006年，通过更紧密地聚焦电子束，科学家首次寻求增加同步加速器X射线的强度和亮度。该设计依赖由7个磁铁组成的装置，被称为多弯曲消色差透镜，能够被放置在储存环周围20处地点以推动电子束的活动路径，直到电子束能基本上整齐地排列。该机器的主管Mikael Eriksson回忆道，很少有人相信该设备具有如此大的威力。
8月29日，在网上发布的一份报告中，阿贡实验室研究人员描述了他们期望如何升级配有多弯曲消色差透镜的圆周为1.1千米的APS。APS主管Brian Stephenson说：“一项具有革命性的新技术已经出现。”
目前的储存环至多只有双弯曲消色差透镜——包含两个而非七个磁体。物理学家曾设想，磁体越多，电子束会越不稳定，因为电子束被弯曲得过于厉害且受到过多波动。但是，MAX IV的工作显示，非常紧凑的磁铁能使弯曲的路径缩短，以阻止波动的发生。
APS受到了美国能源部（DOE）的资助。DOE表示，将会继续支持该计划。7月，DOE顾问委员会的一位成员建议，与其他国家大力推进终极储存环的研究相比，美国的实验室处于落后的位置。该顾问委员会还建议，研发下一代X射线激光器，用于记录化学反应中的分子变化。但是，这样的X射线激光器有一些限制：它强烈的光脉冲峰值将破坏精细的材料。相比之下，终极储存环能够提供更加平和的光脉冲峰值。
研究人员表示，通过绘制变化的化学过程，这些储存环能彻底改变X射线成像。目前的X射线源还不够明亮，无法追踪纳米和纳秒分辨率物质的变化，因为电子束中没有足够多相互协调的光子。终极储存环将改变这一限制。威斯康星大学麦迪逊分校材料科学家Paul Evans说：“我们将迎来一个全新的局面。”例如，储存环能被用于研究电池内部的物质接口处发生了哪些化学上和电力上的变化。
APS正在寻求进一步升级先前已被认可的终极储存环技术。成本计算正在进行中，Stephenson希望在不过多增加成本的前提下（目前的预算是3.91亿美元），将多弯曲消色差透镜囊括其中。MAX IV正在实施的技术只耗费了3.4亿瑞典克朗（5200万美元），但是这个储存环更小，且这一数额并不包括日常开支费用。
升级后，APS将超越MAX IV，接近最集中光束的理论极限。瑞典的同步加速器包括20个多弯曲消色差透镜，而升级APS需要约40个多弯曲消色差透镜。2012年，美国加州门洛帕克市SLAC国家加速器实验室的物理学家表示，在不从根本上破坏电子束的情况下，围绕更大储存环的多弯曲消色差透镜的数量可以更多。SLAC束流物理学的领头人Yunhai Cai说：“关键在于使弯曲更加平和。”
与APS类似，法国格勒诺布尔市欧洲同步辐射实验室（ESRF）也选择了升级多弯曲消色差透镜。去年10月，一个工作小组得出结论，这项技术是负担得起的。ESRF总干事Francesco Sette说，加速器物理学家的工作显示，多弯曲消色差透镜能和机器现有的喷射装置（每天几次向主环提供额外的电子）配合工作——他曾认为需要一个新的喷射装置。Sette说：“我们现在正在全力开展这一工作。”
巴西和日本的储存环也将对多弯曲消色差透镜升级，预计2015年完工的MAX IV很快将面临竞争。
一些人认为，粒子物理隧道能最终被改变为多弯曲消色差透镜的光源。SLAC有一个闲置的圆周为2.2千米的隧道，它最初放置了一个粒子加速器用来比较物质和反物质的衰变速率。一个现已被关闭的粒子加速器（位于伊利诺伊州巴达维亚附近的费米国家加速器实验室）占用的圆周为6.3千米的隧道，是另一处可供选择的地点。Eriksson说，考虑到科学预算的因素，建造这种规格的终极储存环对于瑞典来说并不现实。
Eriksson知道，瑞典走在这一领域前列的时间不会太久，看到其他国家正在采用他和同事满腔热情首创的技术，Eriksson怀着矛盾的心情。他说：“我们既高兴，又感到一些遗憾。”
（段歆涔）
《中国科学报》 (2013-09-19 第3版 国际)
