2023年2月2日晚，位于美国亚利桑那州立大学的紧凑型X射线光源（CXLS）成功发射了第一束X射线，它将有望让科学家们在原子水平上观察各种关键的化学反应与生物结构。

为了产生第一批X射线，CXLS仪器被通上电源，以提供大约4 keV的光子能量。第一步发生在光源的光注入器中。在那里，紫外线激光脉冲以每秒1000次的速度作用于铜表面，每一次都将一束电子释放到真空中，然后在强电场中加速。接着，电子束被线性加速器驱动到接近光速，并通过一系列磁铁，引导和聚焦电子束进入一个相互作用室。在最后一步，红外激光几乎正面射入迎面而来的电子的路径。这导致了强X射线的发射，在一个被称为“逆康普顿散射”的过程中，激光是紧凑设备尺寸的关键。强磁场引导电子进入捕获池。发射的X射线被发送到下游并与特定的样品（如蛋白质或其他分子）相互作用。

（图片来源：Arizona State University）

建造紧凑型X射线光源（CXLS），其实是一个更大的CXFEL项目的第一阶段。据悉，该项目旨在建造两个仪器，包括一个相干X射线激光器。作为第一阶段仪器，ASU CXLS产生高通量硬X射线束，波长短到足以分解复杂分子的原子结构。此外，它的输出脉冲持续时间极短，只有几百飞秒——远低于百万分之一秒——因此短到足以直接跟踪原子的运动。

到目前为止，这种能力仅仅在大型X射线自由电子激光器（XFEL）设施中得到了实现。而由于其规模和数十亿美元级别的建设成本，全球范围内仅有少数几个地点有这类设施，总共也只有5台。而亚利桑那州立大学的设备为超短X射线提供了一个独特的紧凑设施（仅需地下室的大小），使领先的X射线科学能够顺利进入大学校园。

长期以来，X射线推动了医学和科学的发现，并远远超出了我们肉眼所能看到的范围。然而，这些方法在很大程度上是静态的，隐藏了在我们体内工作的蛋白质和许多其他物质过程的核心的超快速动力学。直到最近，研究人员才能够通过大型X射线自由电子激光器（XFEL）产生的超短X射线脉冲来获得这种动力学。这些超短X射线脉冲可以捕捉原子尺度的微观分子，并提供了捕捉蛋白质结构的新方法。

亚利桑那州立大学的紧凑型X射线光源将提供关键能力，以帮助理解原子的三维排列和运动，帮助解决蛋白质功能或通过观察药物如何与分子靶标相互作用来推进药物发现。

该项目的首席科学家、生物设计研究所加速器科学主任、亚利桑那州立大学综合科学与艺术学院教授威廉·格雷夫斯（William Graves）说：“这为我们提供了一种新的工具，可以以不同的方式看待医学、半导体和各种成像。这台机器能让我们观察到了软组织的变化——我们可以看到血液在血管中流动，我们可以看到个体的神经，我们甚至可以看到细胞层面。”

据介绍，新的紧凑型X射线光源（CXLS）设施包括三个主要组件：

一种台式粒子加速器，可产生能量高达3000万电子伏特（30兆电子伏）的稳定电子束

高能红外激光器与电子束相互作用，进而产生超短硬X射线脉冲，光子能量高达20 keV

科学实验室和可调激发激光器，用于研究X射线与各种研究目标的相互作用

科学家们在实验中观察和监测了光束的活动，并在数据分析中证实了X射线的产生。在该项目的总工程师和副主任Mark Holl的领导下，研究团队仍然需要进行大量的工程工作来将这一新型仪器打造并落地投用。在亚利桑那州立大学，该团队与仪器设计与制造（IDF）核心合作，推进光束线和仪器组装所需的数千个部件的精密制造。

目前，研究团队正准备对紧凑型X射线光源（CXLS）进行第一批次的实验。为此亚利桑那州立大学的研究人员一直在建立一个先进的X射线晶体学实验装置。该装置提供了精确的纳米级样品定位和注入功能，以及一个高分辨率的400万像素X射线探测器，可以捕捉每一个X射线镜头。此外，由美国国家科学基金会MRI拨款资助的可调谐激发激光器，则为时间分辨研究提供了量身定制的光激发。

紧凑型X射线光源（CXLS）能够提供高通量、稳定性和超短持续时间的硬X射线脉冲，其占地面积非常小。通过这种方式，物质可以在空间和时间的基本尺度上得到解决，使许多领域的新发现成为可能——从用于计算和信息科学的下一代材料，到可再生能源、生物分子动力学、药物发现和人类健康。

未来，亚利桑那州立大学的紧凑型X射线光源（CXLS）仪器将为广泛的研究科学界机构与人员服务。CXLS将有利于超短X射线科学的普及化研究，这样其他大学或实验室就可以使用亚利桑那州立大学的设施或开发类似的技术。这将有助于加速和推进关键科学领域，并扩大大型X射线自由电子激光器（XFEL）的用户基础。CXLS将为来自美国各地的科学家提供服务，为亚利桑那州立大学学生的提供“训练场”，并吸引国际科学家来此开展研究探索。下一代X射线领域的科学家可以大幅增加他们对生物、分子和材料内部结构和动力学的科学发现和探索。