原子級(jí)分辨率：該設(shè)施是專門(mén)設(shè)計(jì)來(lái)幫助科學(xué)家們研究那些不超過(guò)1微米的生物分子和單個(gè)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(guó)漢堡附近一條長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)撰寫(xiě)的科學(xué)論文[2]發(fā)表，這是該設(shè)施的另一個(gè)里程碑式事件。在這篇論文中，作者們使用它來(lái)探測(cè)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(shí)，肯定會(huì)產(chǎn)出更多的研究成果。已經(jīng)有來(lái)自20個(gè)國(guó)家的500多名研究人員訪問(wèn)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(gè)實(shí)驗(yàn)站可供科學(xué)界使用，但到2019年，該設(shè)施將有6個(gè)提供來(lái)自3個(gè)X射線激光器的脈沖的實(shí)驗(yàn)站。當(dāng)前設(shè)計(jì)里的冷卻要求限制了它每秒發(fā)送不超過(guò)27,000個(gè)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(guò)一個(gè)直線加速器，該加速器安裝在一條2.1公里長(zhǎng)的隧道中，并裝有超導(dǎo)腔。無(wú)線電波在這些超導(dǎo)腔內(nèi)產(chǎn)生交替的正負(fù)電場(chǎng)。電子被匯集成束，在電場(chǎng)為正時(shí)進(jìn)入每個(gè)空腔。注入第一腔的電子得到加速后進(jìn)入第二腔。每個(gè)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(gè)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(huì)迫使電子在穿過(guò)磁體兩極之間的間隙時(shí)沿著彎曲的正弦曲線路徑行進(jìn)。每當(dāng)一個(gè)電子從其路徑偏離時(shí)，它就會(huì)發(fā)出輻射。然后，在每個(gè)磁體處產(chǎn)生的X射線波向前傳播，并與來(lái)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(shí)時(shí)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(shuō)：“高重復(fù)率是我們的優(yōu)勢(shì)?！盓uXFEL為每個(gè)實(shí)驗(yàn)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(guó)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(shí)，分子可以形成衍射圖案，但是脈沖會(huì)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(guò)將新的、未受損的分子嵌入穿過(guò)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(guó)的研究人員使用了這種方法，他們?cè)?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(dòng)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(guò)記錄單個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)來(lái)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(shuō)，EuXFEL的高重復(fù)率也加快了實(shí)驗(yàn)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(gè)脈沖，脈沖之間的間隔是8毫秒。而EuXFEL每秒可以產(chǎn)生100萬(wàn)個(gè)脈沖，盡管它在快速爆發(fā)時(shí)每秒發(fā)送的脈沖不能超過(guò)27,000個(gè)。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(gè)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)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)?！皬募铀倨鞯?a target="_blank">探測(cè)器，涉及到如此多的新技術(shù)，以至于我們認(rèn)為會(huì)有地方出問(wèn)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?！彼貞浾f(shuō)。

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(chǎng)時(shí)的表現(xiàn)。Feidenhans’l說(shuō)：“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(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的LCLS是世界上第一臺(tái)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(gè)脈沖，在2017年，European XFEL問(wèn)世之前，它是同類型中最強(qiáng)大的設(shè)備。不過(guò)，到2020年，European XFEL又會(huì)被LCLS的繼任者LCLS-II超越LCLS-II的能力有望開(kāi)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(wàn)個(gè)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(jì)將于2020年下半年開(kāi)始首次投入使用