在新的APS内循环着一束比人类头发丝还细的强电子束。图片来源：阿贡国家实验室

本报讯 在耗资8.15亿美元、历时14个月的重建后，美国首屈一指的X射线同步加速器—— 一台用于研究材料和分子原子结构的大型机器，重新焕发生机。

据《科学》报道，近日，位于美国阿贡国家实验室的先进光子源（APS）发射了第一束X射线。一旦调试完毕，新的APS—— 一个1.1公里长的环形粒子加速器，将成为世界上最亮的X射线同步加速器，而这要归功于一个维持X射线电子束强度的大胆方案。

“这是对科学技术的开创性贡献。”德国电子同步加速器（DESY）实验室的加速器物理学家Riccardo Bartolini说。

“就性能特征而言，APS确实走在了前面。”美国布鲁克海文国家实验室的加速器物理学家Timur Shaftan说，新光源更亮，有助每年使用APS的近6000名科学家开发新的实验技术。

当高能电子在同步加速器内循环时，它们会发射出X射线，这有点类似于越野车在转弯时迸溅起石头。X射线同步加速器的亮度是医用X光机的数万亿倍。

第一代X射线同步辐射源出现在20世纪70年代，当时研究人员只是从为粒子物理实验建造的加速器中吸取X射线。20世纪80年代，第一台专用X射线同步加速器建成。20世纪90年代出现了包括最初的APS在内的第三代X射线同步加速器。而近些年，第四代X射线同步加速器已经问世。2016年，瑞典的一个较小的X射线同步加速器MAX-IV部署了更多的聚焦磁铁和弯转磁铁，以产生更紧凑的电子束，从而产生更紧密、更亮的X射线束。欧洲同步辐射光源（ESRF）紧随其后，安装了一个类似设计的环——极亮源（EBS）。ESRF-EBS于2020年竣工，比旧的ESRF亮100倍、比旧的APS亮约60倍。

从2023年4月开始，工人们在不到一年的时间里拆除了旧的APS并安装了一个新的加速器。新环的电子束甚至比ESRF-EBS的电子束更紧凑，它的发射度，即光束大小和传播趋势的衡量标准，只有ESRF-EBS的1/3。Bartolini说，这意味着电子束应该辐射出更亮、更连贯的X射线，这种X射线的作用更像是平滑的波。

设计一台具有如此低发射率光束的机器带来了一个问题。当电子在同步加速器周围旋转时，一些电子会飞出并丢失，这会削弱电子束并使X射线变暗。早期的X射线同步加速器通过每天两三次释放光束并重新开始来解决这个问题。旧的APS开创了“补充”技术，即每一两分钟补充一次电子束，使其能够24小时提供恒定亮度的X射线。但这种技术在新的APS上不起作用。

在同步加速器中，电子以小束的形式运动。“补充”技术需要找到最接近耗尽的电子束，并通过注入电子恢复它。阿贡国家实验室的加速器物理学家Michael Borland说，在最初的APS中，必须将额外的电子注入离电子束15毫米以内的地方。但在新的APS系统中，这个“窗口”小于5毫米——目标太小了，无法击中。

为此，Borland和同事实施了一项叫作“交换”的方案。在该方案中，高压电极将耗尽的电子束完全踢出光束，并用一个新的完整束代替，这可以在非常小的注射孔中操作。这一操作比听起来要难，因为它必须以皮秒的精度完成。

Bartolini预测，“交换”方案将被用于其他正在开发的第四代X射线同步加速器。（文乐乐）