观测原子跳舞

当原子被光照射时会在飞秒内发生反应。为了详细观察这种快速移动的反应，则需要一个在同样小的时间尺度上作用的实验装置，否则图像会变得“模糊”。在德国汉堡附近的欧洲 XFEL X 射线激光器（“X 射线自由电子激光器”的缩写）中，研究人员设定了开发这种实验装置并使用它来穿透化学反应动力学的原子深度的目标，这项研究取得巨大成功。2022 年 4 月，EuXFEL 研究团队成功实现了 X射线自由电子激光器实现约 15 飞秒的创纪录时间分辨率。

这种时间分辨率对超快过程的动力学创造了全新的见解，例如药物干预过程中生物分子的时间变化。通过利用欧洲 XFEL 的超短闪光，可以完成把人眼来说太快的过程，捕捉到清晰的飞秒快照中，然后组装成影相——这就好像人们在慢动作中遵循原子在化学过程中的各个步骤！这一研究为众多场景带来希望，例如，对植物中水的有效分解并因此在工业规模上优化光合作用的产生新见解。

欧洲 XFEL 还为信息技术开辟了全新的视角。例如，在特殊设备的帮助下，X 射线激光器产生圆偏振光，未来可用于清除和重写数据载体的超快磁化。

同样重要的是，欧洲 XFEL 的实验为结构生物学的伟大梦想铺平了道路。它确定了单个非结晶分子的结构。传统的研究方法需要预先对分子进行冲击冷冻或结晶。但是，X 射线激光发出的光非常亮，甚至可以深入研究只能生长极晶体的分子（例如膜蛋白）。在未来，研究人员希望也有可能研究单个分子，以使晶体可一同分解。通过这种方式，我们离一幅纳米宇宙的三维映射越来越近了！

欧洲 XFEL X 射线激光或简称 EuXFEL 确实非同寻常：它每秒 27,000 次闪光，峰值光度为 5∙1033 Sch，是传统 X 射线源的十亿倍以上。最大电子能量为 17.5 GeV，比美国斯坦福著名的 LCLS 加速器高出约 3 GeV。 3.4 公里长的地下设施从德国汉堡的 DESY 园区延伸到石勒苏益格-荷尔斯泰因州的谢讷费尔德。DESY 研究中心也是 EuXFEL 的主要股东之一，因此在 EuXFEL 设施的建设过程中也可以利用 DESY 深厚的粒子加速器专业知识。

但是，如此强烈的 X 射线光是如何产生的呢？这项特殊技术的名称是 SASE，是自放大自发发射的缩写。在这个过程中，高能电子束通过波荡器射出，即偶极磁体的周期性排列，相邻磁体的南北方向在每种情况下都完全相反。这种特殊的磁体布置迫使电子进入蛇形路径，随后使它们发射同步辐射，然后可以将其用作聚焦的 X 射线束进行实验。

但要使 SASE 工艺正常执行，电子束必须具有极高的峰值电流强度。为此，喷射器中利用高频电子源，然后在电子脉冲压缩器中冷凝。随后在通过千米长的加速器隧道传输电子束的过程中，必须有非常特殊的真空条件，以保持电子束的相干性——即单个电子彼此之间的时间恒定相位关系丝毫不受干扰。恒定的超高真空也必须在光子束管中占主导地位，X 射线最终通过该管被引导到实验中。

超导加速器模块和氦气供应需要一个隔离真空系统，这是非常重要的条件。对 EuXFEL 的运行可靠性或其 X 射线激光器的时间分辨率的高要求直接转移到所使用的真空系统上。

全金属阀门 VAT 公司的产品经理 Phil Schneider 概括地说：“良好的真空度是整个 EuXFEL X 射线激光源成功运行的关键！”

他知道：在加入 VAT 之前，他作为欧洲 XFEL 的真空工程师直接参与了这项设施的建设。 “当时，我在负责光子真空的小组工作。除此之外，我还参与了光束线的建设。今天，我将我的真空技术贡献给VAT，但当新的科学技术出现时，我仍然很兴奋。欧洲 XFEL 取得了突破性进展。”

由于 X 射线激光器的各种系统组件需要不同的真空条件，EuXFEL 工程师必须与负责加速器真空的 DESY 同事一起开发创新且兼容的真空概念。因此，电子束真空被分成不同的部分，包括超导加速器模块周围的部分（工作温度：2 K）和加速器真空的其余部分（室温下）。除了加速器系统的总共 52 个部分外，还有另外 80 个用于光子真空系统的部分。

“由于 EuXFEL 普遍存在辐射和温度条件，从长远来看，只能通过全金属真空滑轨来保证光束线与实验室的隔离。这就是安装 VAT 48 系列全金属真空滑轨的原因” Phil Schneider解释道。 “这些可靠的真空滑轨的特点是能以可重复的方式进行硬对硬密封，并且密封元件不会发生塑性变形。此处使用的 VATRING 技术允许在两种密封的情况下重复、动态强制关闭密封伙伴、VATRING 以及不锈钢阀座。”

为确保超导体周围区域的电子束受到充分保护，不会与空气分子发生破坏性碰撞，此处的压力必须不超过 10-5 毫巴。在这种压力下，电子几乎可以毫无损失地被引导到电子吸收器：大约 10 亿个传输的电子中只有 10 个在其 2 公里长的飞行路径上偏离了路径！另一方面，在室温下（例如电子源附近）的加速器部分，压力必须降低到 10-10 毫巴，以弥补与温度相关的空气分子流动性增加的效果。

由于极端条件，大多数 EuXFEL 应用都需要全金属阀门。但在设施内也有一些区域，阀门在温度、辐射和真空水平方面的负载足够低，可以考虑使用带有弹性体密封的阀门。它们循环值更高，从而最大限度地减少了所需的阀门维护量。

“例如，VAT 01.0系列的弹性体密封 UHV 闸阀，尺寸 DN40，安装在波荡器附近，”Phil Schneider 说到。 “而且弹性密封闸阀也被证明是为了达到维护目的而分隔各个扇区区域的最佳解决方案。”

EuXFEL 设施总长 3.4 公里，对开发商和供应商提出了极高的要求。 “仅 EuXFEL 的电缆需求就非常巨大！” VAT的销售经理 Felix Jordan说。

由于真空系统延伸到很长的距离和很大的体积，突然的空气渗透构成了一个非常特殊的挑战。不难想象，仅仅恢复所需的真空度就需要花费大量的时间和成本！为了可靠地保护光束传输真空系统的运行免受此类空气涌入的影响，如果相邻扇区之一出现不可预见的压力增加， VAT 基于75 系列（尺寸为 DN40 和 DN100）的快速关闭阀的安全系统，可确保真空系统在几分之一秒内自动关闭。

Phil Schneider 解释说：“凭借其极快的关闭时间，例如 DN100 阀门的 15 ms，VAT 75系列阀门为系统的相关部件提供了非常直接的保护。如果发生泄漏，所有相关部门阀门都当然也关闭。但是由于快速关闭的阀门，它们更长的关闭时间就无关紧要了。

为了用氮气排放光束线并使用移动泵站将其抽出，EuXFEL 开发人员安装了 VAT 54.1系列的 UHV 全金属角阀，尺寸为DN16。排气阀配备了一个特殊的粒子过滤器，以保护高度敏感的 X 射线镜面免受进入粒子的污染。在抽出和排放电子束真空时，由于震荡的可能，污染的风险也会增加。

“在第一个设置中，我们发现微米大小的颗粒可能被过于震荡的流动所携带,” Phil Schneider回忆起技术挑战。VAT 54.1系列阀门的可靠和可控性现在也确保了抽空和排气循环期间的层流气流。