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美国加州的超导X射线激光器实现了比太空更低的温度

激光制造网 来源:知新了了2022-05-18 我要评论(0 )   

在地球上,一台将电子碰撞在一起的粒子加速器,达到了比外层空间更低的温度。利用美国能源部 SLAC 国家加速器实验室的X射线自由电子激光器,科学家们将液氦冷却到零下45...

在地球上,一台将电子碰撞在一起的粒子加速器,达到了比外层空间更低的温度。

利用美国能源部 SLAC 国家加速器实验室的X射线自由电子激光器,科学家们将液氦冷却到零下456华氏度(零下271摄氏度),或2开尔文。这是直线加速器相干光源 (LCLS) 升级项目的一部分,称为 LCLS II。

这个温度只比绝对零度高 2 开尔文,绝对零度是所有粒子停止运动的最低温度。

营造这种寒冷的环境对加速器至关重要,因为在如此低的温度下,机器会变得超导,这意味着它可以在几乎零能量损失的情况下推动电子通过。

实际上,即使是太空中的空白区域也没有这么冷,因为它们仍然充满了宇宙微波背景辐射,这是大爆炸后不久的残留物,温度统一为:零下454华氏度,即 3 开尔文。

SLAC加速器理事会主任安德鲁·伯里尔(Andrew Burrill)表示:“LCLS-II X射线自由电子激光器的下一代超导加速器的工作温度已经达到绝对零度以上2摄氏度。LCLS-II 现在已经准备好开始以每秒100万次脉冲的速度加速电子,这将是一项世界纪录。”

安德鲁·伯里尔补充道:“这比它的前身 LCLS 每秒脉冲多4个数量级,这意味着,在短短几个小时内,我们将向用户发送比 LCLS 过去10年所做的更多的X射线。”

这是 LCLS-II 需要完成的最后一个里程碑之一,然后,它才能继续产生平均比其前身创造的 X射线脉冲亮 10000 倍的 X射线脉冲。

这一切将有助于研究人员以前所未有的细节探测复杂材料。高强度、高频激光脉冲使研究人员能够以前所未有的清晰度,观察材料中的电子和原子是如何相互作用的。

这将有助于许多应用,从帮助揭示“自然和人造分子系统如何将阳光转化为燃料,从而如何控制这些过程,到了解将使量子计算成为可能的材料的基本性质”。

事实上,在加速器内创造如此寒冷的环境需要一些复杂的工作。例如,为了防止氦气沸腾,该团队需要超低压力。

SLAC 低温部门主任埃里克·福夫(Eric Fauve)解释道:“在海平面上,纯水的沸点为 212华氏度(100摄氏度),但这种沸点会随压力而变化。例如,在高压锅中,压力较高,水在250华氏度(121摄氏度)沸腾,而在海拔高度则相反,那里的压力较低,水在较低的温度沸腾。”

埃里克·福夫补充道:“氦气也是如此。然而,在标准大气压下,氦会在4.2开尔文沸腾。如果气压下降,温度就会下降。要将温度降低到 2.0 开尔文,我们需要的压力仅为大气压的 1/30。”

为了达到这样的低压,该团队使用了五个低温离心压缩机,它们压缩氦气使其冷却,然后让它在一个腔室中膨胀以降低压力,使其成为地球上少数几个可以大规模生产2.0开尔文氦的地方之一。

每台低温离心压缩机都是一台配备了转子/叶轮的离心机,与发动机涡轮压缩机的转子/叶轮类似。当旋转时,叶轮加速氦气分子,在轮子中心产生真空,分子被吸入,在轮子外围产生压力,分子被喷射出来。压缩迫使氦气呈现液态,但氦逃逸到这个真空中,在那里它迅速膨胀,同时冷却。

除了它的终极应用之外,LCLS-II 产生的超冷氦气本身就是一个科学奇观。

在2.0开尔文时,氦会变成超流体,称为氦II,具有非凡的特性。例如,它的导热效率是铜的数百倍,而且它的粘度(或流动阻力)很非常低,低到无法测量。

对于LCLS-II来说,2 开尔文已经是预计的最低温度了。

SLAC加速器理事会主任安德鲁·伯里尔表示:“虽然,通过非常专门的冷却系统可以实现更低的温度,这种系统可以达到绝对零度以上几分之一的温度,但在这种温度下,所有运动都停止了。但这种特殊的激光没有能力达到这些极端情况。”


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