亚利桑那州立大学正式开启了X射线科学的新篇章，新委托的首创仪器将帮助科学家更深入地了解物质和生物。该设备被称为紧凑型 X 射线光源 （CXLS），标志着其运营的一个重要里程碑，因为 ASU 科学家于 02 年 2023 月 <> 日晚上生成了第一轮 X 射线。

　　“这标志着基于紧凑型加速器的X射线源科学新时代的开始，”Robert Kaindl说，他是生物设计研究所ASU紧凑型X射线自由电子激光器（CXFEL）实验室的负责人，也是物理系的教授。“CXLS 以非常紧凑的占地面积提供具有高通量、稳定性和超短持续时间的硬 X 射线脉冲。通过这种方式，物质可以在空间和时间上的基本尺度上得到解决，从而实现许多领域的新发现 - 从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。

　　建造紧凑型X射线光源是更大的CXFEL项目的第一阶段，该项目旨在制造包括相干X射线激光器在内的两种仪器。作为第一级仪器，ASU CXLS 可产生高通量的硬 X 射线束，其波长短到足以解析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的百万分之一——因此短到足以直接跟踪原子的运动。

　　到目前为止，这种能力仅在大型X射线自由电子激光（XFEL）设施中可用，由于其规模和数十亿美元的建设成本，其数量仅限于全球少数几个站点。在这里，ASU设备为超短X射线提供了一个独特的紧凑设施，适合地下室的大小，使大学校园能够获得领先的X射线科学。

　　表面之下

　　长期以来，X射线推动的医学和科学发现远远超出了我们肉眼所能看到的范围。应用超越了尺度，从X射线天文学到宇宙观，到人类尺度的X射线医学成像，再到原子尺度的复杂材料和生物分子。然而，这些方法在很大程度上仍然是静态的，隐藏了蛋白质在我们体内起作用的核心和物质中的许多其他过程的超快速动力学。

　　直到最近，研究人员才能够通过XFEL产生的超短X射线脉冲来获取这种动力学。这些超短的X射线脉冲可以捕获原子级分子，类似于摄影师如何通过高速摄影中使用的短脉冲频闪灯制作蜂鸟翅膀的静止图像。此外，超短X射线提供了捕获蛋白质结构的新方法，否则这些蛋白质结构很难结晶。在这里，ASU的紧凑型X射线光源将提供关键功能，以帮助理解原子的三维排列和运动，例如，通过观察药物如何与其分子靶标相互作用来帮助解决蛋白质功能或推进药物发现。

　　“这为我们提供了一种新工具，可以以不同的方式看待医学科学和半导体以及各种成像，”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说。“这台机器允许我们做的是看到软组织的变化。我们可以看到血液在血管中流动。我们可以看到个人的神经。我们可以向下看到细胞水平。

　　新的 ASU 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30万（30 MeV）电子伏特的稳定电子束

　　一种与电子束相互作用的高功率红外激光器，进而产生高达20 keV光子能量的超短硬X射线脉冲

　　科学实验室和可调谐激发激光器，用于研究与各种研究目标的X射线相互作用

　　科学魔术

　　为了制造第一波X射线，CXLS仪器通电以提供大约4 keV的光子能量。第一步发生在光源的光注入器中。在那里，紫外激光脉冲以每秒1个脉冲的速度施加到铜表面，每个脉冲将一堆电子释放到真空中，然后在强电场中加速。接下来，电子束由直线加速器驱动到接近光速的速度，并通过一系列磁铁传播，这些磁铁引导光束并将其聚焦到相互作用室中。

　　在最后一步中，红外激光几乎正面射入迎面而来的电子路径。这导致在称为逆康普顿散射的过程中发射强大的X射线，其中激光是紧凑设施尺寸的关键。强磁场将电子引导到捕获汇中。发射的X射线被发送到下游，与感兴趣的样品相互作用，例如蛋白质或其他分子（对于第一个X射线演示，这一步被省略了）。

　　通过检测YAG闪烁体屏幕的光发射来执行和确认该实验。科学家们观察和监测光束活动，并在他们的数据分析中确认了X射线的产生。

　　“我对大大缩小这些机器尺寸和成本的技术创新很感兴趣，”格雷夫斯说。“打开这种新颖的光源代表了十年基础工作的结晶，从理论到设计再到构建，同时克服了供应链延迟和全球大流行造成的其他中断等障碍。”

　　为了实现这种新型仪器，需要大量的工程工作，由该项目的总工程师和副主任Mark Holl领导。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，精密制造了最终光束线和仪器组装所需的数千个零部件。

　　“CXLS将为众多富有想象力的科学家带来福音，这些科学家致力于解开生物学，化学和物理学的秘密。我们很高兴能够达到这一重要的里程碑，并渴望开始紧凑型X射线加速器科学的实验时代，“格雷夫斯说。

　　新时代开始

　　CXLS现在正在为第一批实验做好准备。为此，ASU研究人员一直在为X射线晶体学建立先进的实验装置。X射线脉冲沿着“光束线”穿过铅屏蔽切口窗，从光源到相邻的用户小屋，并进入科学实验室。该装置提供精确的纳米级样品定位和进样功能，以及高分辨率4万像素X射线探测器，可以捕获每次X射线拍摄。此外，由美国国家科学基金会MRI资助的可调谐激发激光器为时间分辨研究提供量身定制的光激发。

　　在渴望开始第一批实验的科学家中，亚利桑那州立大学的Petra Fromme是了解生命过程如何在分子水平上运作的领先专家。Fromme与她已故的ASU同事John Spence以及汉堡德国DESY电子同步加速器中心的Henry Chapman共同开发了当今全球大型XFEL使用的连续飞秒晶体学的核心方法。

　　“从一开始就很明显，这将是世界上第一个此类乐器，”弗洛姆说。“如果没有克劳总统对Biodesign C大楼的巨大承诺和9万美元的初始资金，我们永远不会启动该计划。然后，在飞机上，我遇到了[已故的]Leo Beus，却不知道他是谁。他和他的妻子安妮特为CXFEL Labs捐赠了10万美元。

　　Fromme计划应用CXLS来探索植物如何在光合作用过程中将阳光转化为能量的最基本步骤，这些见解可能有助于创建人工光系统以实现更高效和可再生能源的转换。

　　“我真正的动机仍然是光合作用的圣杯，其核心尚未解决，”弗洛姆说。“植物如何利用可见光和地球丰富的金属将水分解成氧、质子和电子？当我们发现植物是如何做到这一点的，那么我们就可以建立与自然一样高效、像人工系统一样稳定的系统。

　　此外，在与亚利桑那州妙佑医疗国际的合作中，亚利桑那州立大学计划使用该仪器进行组织医学成像，以帮助早期发现癌症等疾病。

　　新仪器已经成为招募新科学家到亚利桑那州立大学的灯塔，比如物理系助理教授Sam Teitelbaum。“我的研究使用自由电子激光器，桌面激光器和同步加速器来了解材料如何转变，”Teitelbaum说。“使用新的紧凑型X射线源，我们可以通过在单个分子操作的非常快的时间尺度上观察物质来了解物质的性质。

　　扩大先进X射线科学的可及性

　　ASU仪器将为广泛的研究界服务。CXLS仪器对国家的主要好处之一是扩大了对超短X射线科学的访问 - 本质上是“民主化”，以便其他大学或实验室可以使用ASU设施或开发类似技术。这种增加的访问将有助于加快和推进科学的关键领域，并扩大大型XFEL的用户群。CXLS将为来自美国各地的科学家提供服务，成为亚利桑那州立大学学生的培训基地并吸引国际科学家。下一代X射线科学家可以共同增加对生物，分子和材料内部结构和动力学的科学发现和探索。

　　“我最感兴趣的是我们知识边缘的东西，追求以前从未观察到的现象，”Kaindl说。“现在我们有一切办法这样做。随着紧凑型X射线光源调试的结束，我们的重点将转移到其超短X射线的早期实验以及向用户设施的过渡。

　　关于亚利桑那州立大学 亚利桑那州立大学

　　为美国研究型大学开发了一种新的模式，创建了一个致力于访问、卓越和影响的机构。ASU 通过它所包含的内容来衡量自己，而不是通过它排除的内容来衡量自己。作为新美国大学的原型，亚利桑那州立大学追求有助于公共利益的研究，亚利桑那州立大学对其周围社区的经济、社会和文化活力承担主要责任。