“极端明亮”的X射线源将彻底改变观察物质的方式
2020-09-27

　　通过一种产生强力X射线束的新方法，科学家正在使以惊人分辨率绘制物质的3D图像成为可能。不久前，这个“极端明亮X射线源”（Extremely Brilliant Source，简称EBS）在法国的欧洲同步加速器辐射装置（European Synchrotron Radiation Facility，简称ESRF）正式启用，科学家已经用它来研究导致新冠肺炎的冠状病毒。这些X射线可以对化石、大脑、电池和无数其他有趣的东西进行内部成像，直到原子尺度，揭示前所未有的信息，从而促进科学研究。

　　当人们遭遇骨折时，会到医院拍摄X光片，这些典型的医用X光片可以向医生展示骨折部位及其周围组织的详细信息。X射线在穿透人体时，会被不同的组织以不同的速率吸收；在穿过身体之后，这些射线就会撞上探测器，形成我们熟悉的黑白X射线图像。EBS所产生的X射线威力将是医院使用的X射线的10万亿倍。有了这样的X射线束，科学家可以绘制出骨折部位的三维图像，其细节之详细，甚至骨折周围血细胞中的单个原子都可以看到。当然，你肯定不想被这种X射线束击中——这种剂量的辐射是致命的。

　　EBS似乎将开启无穷无尽的可能性。特别令ESRF主任弗朗西斯科·塞特兴奋的一个领域是对大脑结构和功能的研究，这可能最终将开发出类似大脑的电子产品。塞特说：“这将是一场重大的革命，不仅对神经科学如此，对所有可能将人类大脑结构用于新一代设备的应用程序而言也是如此。”

　　利用同步X射线成像技术，工程师们可以深入了解创新材料，为航空和纳米电子等领域提供帮助。古生物学家可以研究化石内部的微小结构，而不需要破坏这些标本。2020年夏季，最初进行该研究的科学家中，已经有一些人利用EBS对死于新冠肺炎的人进行了完整的肺部成像，他们在微观层面上识别了这种病毒造成的损伤，这是以前从未观察过的。

　　同步加速器是一种简单的粒子加速器，利用磁场将带电电子加速到极高的能量，从而使电子发出X射线——也被称为同步辐射光。与大型强子对撞机不同，在同步加速器圆环上快速“转圈”的粒子并不会相互碰撞。快速圆周运动的电子产生的X射线会被从加速器圆环中虹吸出来，进入44个专门的实验室，即光束线（beamline）。然后，研究人员利用这些光束对目标进行成像。近几十年来，以同步加速器为基础的科学已经帮助推动了许多突破，包括最近使研究人员能看到未孵化的恐龙蛋的内部结构，以及读取了一本被火山摧毁的古书。

　　位于法国格勒诺布尔的ESRF自1994年开始运作。之前该设施已经具有世界上最强大的X射线源，而今年的升级将其性能提高了100倍。该设施于2018年12月关闭，开始向EBS过渡。幸运的是，新冠肺炎大流行并没有推迟8月25日的正式启用，该项目也比原计划提前了近五个月。塞特表示，研究人员已经在使用这些X射线束，最近进行的同步加速器工作的第一批结果应该很快就会发表。

　　使这一重大升级成为可能的是一种新颖的设计，一个由1100个磁体组成的晶格，驱动着电子在一个长844米的圆环内运动。这些磁铁不仅能加速电子前进，还能给它们轻微的助力，改变它们的方向。这些方向上的微小变化是产生X射线的关键。

　　“当带电粒子的轨道偏离时，就会产生光，”塞特解释道，“这种光就是我们所说的同步辐射光。”

　　这是一个简单的能量守恒定律。当你将电子束弯曲，使其沿环形而不是直线运动时，电子每次改变方向都会损失一点能量。这些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“助力”。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就能产生大量的高能X射线。

　　另一个可能受到EBS显著推动的领域是组织学，即生物组织的微观研究。现在，组织学家研究组织的方法是将组织切片成许多极薄的样品，并用染料染色以显示其微观结构。采用同步成像，样品就无需切片染色；研究人员还可以对它们进行整体成像，创造出高分辨率的三维扫描图像，显示更多更详细的解剖结构信息。

　　“这被称为‘3D纳米组织学’，是医学界的一个梦想，”塞特说，“它代表了组织学研究领域的一次彻底革命。”

　　维克托·冈萨雷斯是荷兰阿姆斯特丹国立博物馆科学部的博士后研究者，他曾使用上一代欧洲同步加速器进行过研究。冈萨雷斯经常使用同步加速器成像技术来研究几个世纪前的绘画样本。他最近的工作揭示了伦勃朗绘画技巧的细节。

　　“对我的研究团队来说，ESRF的升级非常重要，”冈萨雷斯说，“该设施新升级了最先进的分析能力，将使我们能够更快地分析珍贵的样本。一个过去需要几天时间的实验，现在只需一个下午就能完成！这意味着我们突然间就拥有了大量数据，为理解历史颜料层的化学机制提供了新的机会。”

　　现在，EBS已经建立并运行，世界各地的科学家可以申请使用光束线的时间。这是一个竞争的过程——科学家在获得使用同步加速器的机会之前，研究申请必须经过同行审查。不过，有了新的升级，原本需要几周时间的实验现在可以在一天内完成；曾经需要一天的工作现在只需要几分钟。在接下来的几个月里，或许就将出现大量令人兴奋的新科学成果。（任天）