“极其灿烂的源”X射线将给科学带来革命性的变化
一种产生强大X射线束(地球上最亮的X射线束)的新方法现在使以惊人的分辨率创建物质的3D图像成为可能。上个月，位于法国的欧洲同步加速器辐射设施正式启用了这一“极其灿烂的光源”，科学家们已经在用它来研究新冠肺炎背后的冠状病毒。这些X射线光束将成像化石、大脑、电池和无数其他有趣的东西的内部，小到原子尺度，揭示前所未有的信息，为科学研究提供超强动力。
一张典型的医用X光片，就像骨折一样，可以向医生显示你特定骨折及其周围组织的详细信息。X射线穿透人体，被不同的组织以不同的速度吸收；一旦它们穿过你的身体，它们就会击中探测器，产生熟悉的黑白X射线图像。极其明亮的光源产生的X射线比医院使用的X射线强10万亿倍。有了这样的光束，科学家们可以创建骨折的3D图像，图像非常详细，以至于他们可以看到骨折周围血细胞中的单个原子。当然，你不会想被这种特殊的光束击中--辐射剂量将是致命的。
极其灿烂的源头开启的可能性感觉是无穷无尽的。ESRF总干事弗朗西斯科·塞特(Francesco Sette)特别兴奋的一个领域是对大脑结构和功能的研究，这最终可能使类似大脑的电子设备成为可能。他说：“这将是一场重大革命，不仅对神经科学，而且对所有那些可能在新一代设备中使用人脑架构的应用程序来说都是一场重大革命。”
使用同步加速器X射线成像，工程师可以深入了解创新材料，帮助航空和纳米电子等领域。古生物学家可以研究化石的微小内部结构，而不需要破坏它们的样本。今年夏天，一些首批能够接触到极其辉煌的源头的研究人员利用它对死于新冠肺炎的人的完整肺部进行了成像，他们能够在微观水平上识别出以前看不到的病毒造成的损害。
同步加速器只是一种粒子加速器，它利用磁场将带电电子加速到如此高的能量，以至于它们发出X射线光，也被称为同步加速器光。(例如，与大型强子对撞机不同，围绕同步加速器环路压缩的粒子不会相互碰撞。)。由快速循环的电子产生的X射线被虹吸出加速器环，进入44个被称为光束线的专门实验室。然后，研究人员使用这些光束对他们的目标进行成像。近几十年来，基于同步加速器的科学一直是各种突破的幕后推手，包括最近允许研究人员看到未孵化的恐龙蛋的内部，以及阅读一本被火山摧毁的古籍。
位于法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射设施自1994年以来一直在运行。其上一代X射线源已经是世界上最强大的；今年的升级使其功率增加了100倍。该设施于2018年12月关闭，开始向极其辉煌的来源过渡。幸运的是，新冠肺炎疫情没有延误8月25日的正式开业，因为该项目比原计划提前了近5个月。根据塞特的说法，研究人员已经在使用这些光束，最近在同步加速器工作的第一批发表的结果应该很快就会出来。
使这一重大升级成为可能的是一种新的设计，它由1100个磁铁组成的晶格，驱动电子绕着844米长的圆环旋转。这些磁铁不仅使电子向前加速，还给了它们轻微的“推力”，改变了它们的方向。这些微小的方向变化是产生X射线的关键。
“当你偏离带电粒子的轨迹时，你就会产生光，”塞特解释说。“这种光就是我们所说的同步加速器光。”
这是一个简单的能量守恒定律的问题：当你弯曲电子束，使它以环状而不是直线的方式传播时，电子每次改变方向都会损失一点能量。损失的能量以光的形式存在。为了让发射的光在X射线频率范围内，你需要提供更强的磁力“踢”。新的磁晶格设计使电子束连续弯曲和重新聚焦成为可能，无需更大的环形设备即可产生大量高能X射线光。
一个可以被同步加速器科学戏剧性地推进的领域是组织学，也就是对组织的微观研究。今天，组织学家通过将组织切片成许多极薄的样本并用染料染色来揭示微观结构来研究组织。有了同步加速器成像，样品不需要切片和染色；研究人员可以完整地成像，创建高分辨率的3D扫描，显示更多关于它们的解剖学信息。
“这被称为‘3D纳米组织学’，这是医学界的梦想，”塞特说。“它代表了表演组织学的一场彻底革命。”
阿姆斯特丹国立博物馆科学部博士后研究员维克多·冈萨雷斯(Victor Gonzalez)是一位使用欧洲同步加速器上一代产品进行研究的科学家。冈萨雷斯定期使用同步加速器成像来研究数百年前的油漆样本。他最近的作品揭示了伦勃朗绘画技法的细节。
冈萨雷斯在一封电子邮件中说：“对我的研究界来说，ESRF升级非常重要。”该设施的新的最先进的分析能力将使我们能够比以往更快地分析珍贵的样品。之前花了几天时间的实验现在只用了一个下午就可以完成了！对我们来说，这意味着突然可以获得丰富的数据，因此我们有新的机会了解历史漆层的危险化学机制。“。
现在，极其辉煌的光源已经启动并运行，世界各地的科学家可以申请光束线上的时间。这是一个竞争的过程-研究申请必须经过同行审查，科学家才能使用同步加速器。但是有了新的升级，原本需要几周的实验现在可以在一天内完成，曾经需要一天的只需要几分钟。在接下来的几个月里，请继续关注大量令人兴奋的新科学。
