法国格勒诺布尔发出了耀眼的新光，欧洲同步加速器辐射设施(ESRF)的官员上周宣布重新开放其完全重建的X射线源。这款环形机器长约844米，产生的X射线束比其前一代产品亮100倍，比医学X射线亮10万亿倍。强烈的辐射可能会在X射线科学中开辟新的远景，例如在解析单个细胞的同时对整个器官进行三维成像。  
该实验室的总干事弗朗切斯科·塞特(Francesco Sette)在7月8日的在线新闻发布会上说：“ ESRF的光芒再次燃起。” 重生的同步加速器被称为极灿灿的源(EBS)，将于八月下旬向普通用户开放，但自四月以来，研究人员已使用其强光来研究SARS-CoV-2(SARS-CoV-2)病毒，该病毒导致COVID-19大流行，以及疾病对身体的影响 随着美国，日本和其他十几个国家开发类似的机器，EBS为其他国家开辟了道路。
 
同步加速器是一种环形加速器，可将电子等带电粒子增强为高能量和近光速。就像湿抹布在头上旋转时会溅出水滴一样，如果电子具有足够的能量，则循环中的电子会辐射光子，包括x射线。在1950年代，科学家开始从用于粒子物理实验的电子加速器吸取X射线。紧接着的是1980年代专用的X射线同步加速器，它使用一种称为摆动的磁铁来使电子在旋转时摇动，从而产生更多的X射线。在1990年代，更好的同步加速器首次使用了称为起伏器的磁体，该磁体可以更和谐，更有效地摇动循环中的电子。
 
现在，世界各地有数十种不同能量的同步加速器发出了从更长的紫外线波长到短的“硬” X射线的光，每年从化学和材料科学到地质学和艺术史等领域的55,000多名用户。超强X射线的爆炸可以探测蛋白质晶体中原子的排列，即使它们破坏了它。到目前为止，生物学家已经推论出超过166,000种3D蛋白结构，其中有12万种是在同步加速器中确定的。
 
ESRF加速器和源头部门主管Pantaleo Raimondi说，照亮ESRF的X射线的诀窍是进一步缩小机器已经微细的电子束。新机器将循环一个带状的光束，高度为2微米，宽为20微米，是旧光束的十分之一。为了挤压它，ESRF研究人员遵循了2000年代初发明的大头针，并在瑞典较低能量的MAX IV同步加速器上实施，该同步加速器于2016年启用。
 
在同步加速器中，被称为偶极子的磁体将管状真空室夹在中间，电子将通过该真空室行进，从而提供垂直场，该垂直场使粒子围绕轨道的轨迹弯曲。偶极子根据其能量使电子弯曲的量略有不同，从而使电子束扩散。为了保持聚焦，称为四极的更复杂的磁体安装在偶极之间，并像透镜一样起作用。但是，将电子束水平聚焦的四极杆会在垂直方向上展开电子束，反之亦然，因此电子束在循环时像手风琴一样膨胀和收缩。MAX IV物理学家意识到，可以通过用大量较短的偶极子和更多的四极杆代替较长的偶极子来减少这些振荡。
 
但是有一个问题。四边形还根据电子的能量不同地聚焦电子。甚至更复杂的称为六极杆的磁体也可以纠正这种效应。但是，如果光束已经很窄，则六极杆的工作效率低下，该方案在达到最大压缩之前会逐渐弯曲。MAX IV研究人员通过减少电子能量来解决该问题，但ESRF无法做到这一点，但仍会产生硬X射线。在2008年，Raimondi及其同事找到了摆脱困境的出路：他们将布置磁铁护手，使电子束穿过六极时会短暂散开。
 
在2018年12月关闭机器后，ESRF工人在短短13个月内更换了几乎所有组件，耗资1.5亿欧元。原来的机器在其32个弧段或弧段中每个都有两个长的偶极子，而新的则有七个，再加上24个其他磁体。总而言之，与以前一样，在相同的甜甜圈形大厅中安装了1000多个新磁体。赖蒙迪说：“汽车的车身保持不变，但我们拆下了旧发动机，并安装了法拉利的发动机。”
 
ESRF物理科学研究主任Harald Reichert说，这台经过改造的机器将为X射线科学打开质的新窗口。硬X射线比低能X射线可以更深地穿透材料，而新机器的强X射线束将使其能够研究高达1米厚的样品。因此，科学家可以扫描发动机缸体，然后以接近原子的分辨率放大材料缺陷。
 
因为X射线光子是从如此细小的电子束中发出的，所以它们应该像激光束一样一致地振荡，从而加重了X射线束的波状性质。增强的相干性使新的ESRF在成像方面具有很大优势。当研究人员通过样品照射X射线束时，材料的变化将使相干X射线的波阵面延迟不同程度，从而在远距离探测器上形成斑驳的强度图案。研究人员可以从许多这样的模式中提取出样本的详细3D图像。
 
例如，努力绘制小鼠大脑中各个神经元及其相互连接的神经科学家现在必须将大脑切成薄片，用电子显微镜扫描每个薄片，然后使用强大的计算机功能将这些薄片链接起来。利用ESRF的穿透性，相干光束，研究人员可能可以在完整的小鼠大脑中更快地完成相同的操作。乔治亚理工学院的计算神经科学家伊娃·戴尔(Eva Dyer)说：“如果他们能做到，它将对社区产生巨大影响。” “这太酷了。”
 
ESRF将有几年时间来发挥其优势。APS主任斯蒂芬·斯特雷弗(Stephen Streiffer)表示，它最接近的竞争对手是位于伊利诺伊州阿贡国家实验室的先进光子源(APS)，将在2022年进行类似的为期一年的重建。Streiffer说：“我们看到的这两种机器不只是竞争对手，而是姐妹设施。” “周围有很多发现。”
 
日本的RIKEN Spring-8实验室和德国电子同步加速器实验室也在计划改造，中国正在设计一个全新的X射线设施。
 
研究人员已经在利用ESRF的新功能来帮助应对COVID-19大流行。ESRF生命科学研究负责人Jean Susini说，有几个项目正在研究SARS-CoV-2病毒的分子结构，另一个正在使用新的同步加速器对被COVID-19损伤的肺部成像。“实际上，EBS的第一盏灯用于COVID-19研究。”