太科幻！美国研制巨大离心加速器，酷似蜗牛壳，可将炮弹打入太空

作者：虹摄库尔斯克

据美国《战区》杂志报道，美国太空发射公司刚刚用一个巨大的离心机把一枚炮弹扔到高层大气层中。

该公司首次展示了一种基于动力学的发射系统，该系统有望在未来某一天将小型航天器送入亚轨道。这种概念看上去就像是经典科幻小说时代想出来的，是基于一个真空密封的离心机，在释放一个无动力的抛射体之前，它会以几倍于音速的速度旋转它，然后把它扔进高层大气层，并最终进入低层轨道。这家总部位于加州长滩的公司希望通过这种方式挑战传统火箭将有效载荷送入太空的能力。

10月22日，这种加速器首次发射在新墨西哥州的美国太空港进行，但该公司是最近才宣布了这一里程碑式的事件。

该系统使用一个真空室中旋转臂带着弹丸以非常高的速度在没有任何阻力的情况下旋转，真空密封将会一直保持，直到弹丸穿过发射管顶部的薄膜。

虽然这个概念相当简单，但如何让它可靠且重复地工作是一个重大挑战。

该公司的首席执行官乔纳森·亚尼告诉CNBC:“这是一种完全不同的方式，利用地面系统将发射体和运载火箭加速到高超音速。”

这位执行官称，该公司于2014年成立，一直在进行低调而“大胆和疯狂”的太空发射项目。

亚尼称，这次发射的其实是真正的离心发射器的1/3比例的缩小版本，但仍然高达300英尺（91米），由于这只是该概念的第一次测试，该发射体被推进到“数万英尺”的高度。

据报道，该导弹在飞行后被回收，可重复使用的运载工具是这一发射概念的关键部分。然而，目前还不清楚这枚炮弹将如何回收，尤其是从发射序列的视频概念来看，它至少分成了两部分。增加一个回收系统会增加体积和复杂性，但也可能反映出每一个弹丸的价值，这可能是由奇特的材料制作的，以承受极端的速度和摩擦加热。

该公司未来计划在弹丸内部增加一个火箭发动机，以提供轨道飞行能力。

人类对太空的仰望自古有之，用什么发射装置将自己发射进太空呢？

在儒勒·凡尔纳的时代，这位科幻巨匠设想通过大炮的动能将太空船打入太空，而此后人类确实在超级大炮项目上进行了积极 探索 ，但最终转向了利用化学能发射的运载火箭飞向太空。

这次的真空离心机发射试验可以说是一次跨时代的创举，利用离心力和惯性这一普遍物理原理，对进入太空进行了全新的尝试。现在还不清楚这种发射机能的价值是否真的像上述所说的那么美好，但可以肯定的是，人类走向太空的步伐将不会停止！

位于美国加利福尼亚州的一个升级版的粒子加速器，即将为一些令人难以置信的科学提供动力。

上图：SLAC 国家加速器实验室的直线加速器大楼。

科学家们正准备释放一种异常强大的 X 射线束，这将有助于揭示宇宙如何在最微小尺度上运行的秘密。由于科学家们对位于加利福尼亚州门洛帕克（Menlo Park）的2英里长的粒子加速器进行了升级，才使得这种光束成为可能，该加速器将会把电子激发到光速的 99.9999999%（大约每小时 6.7 亿英里）， 从而产生有望解开光合作用基础和材料如何导电等谜团的图像。

SLAC 国家加速器实验室的新X射线，将比之前的装置产生的X射线亮1万倍，这一改进将开启材料和原子研究的新时代。这类科学逐渐改变了我们对更大事物的理解，比如电网、计算机和新药物。

现在需要做的工作就是，把加速器冷却到-456华氏度，并调整整个结构，这样穿过它的电子就能以足够快的速度产生每秒100万次的X射线脉冲。激光的冷却从三月开始，应该在四月底结束。

去年秋天，加速器委员会实验室副主任安德鲁·伯里尔就曾表示：“就科学而言，这对国家和世界都很重要，因为通过科学进步，我们都得到了更好的智能手机，可以与遥控器交谈，以及所有这些我们可以制造的东西。我们大多数人都认为这些东西是理所当然的，大多数人并不关心冰箱是如何工作的，他们只想让它工作。我们的智能手机也是如此，我们的互联网提供商也是如此。但通过这些科学进步，它有助于改善所有这些事情。”

这种新型激光器被称为“Linac（用于直线加速器）相干光源-II”，简称 LCLS-II，它将与已有 13 年 历史 的前身一起工作。最初的 LCLS 是世界上第一个硬 X 射线自由电子激光器 —— 这意味着它通过围绕未附着在原子核上的电子移动产生最高能量的 X 射线（电磁光谱上伽马射线之前的最后一站）。LCLS 会在 2 英里长的管子中加速电子，每秒产生120个 X 射线脉冲。 在加速器的远端，研究人员将 X 射线束对准他们的实验，生成的图像远比任何拍摄骨折的图像都要详细得多。 新的 LCLS-II 功能类似，但其使用超导体使 X 射线输出跃升至每秒100万个脉冲 —— 超过了今天任何其他设施的能力。

上图：2021 年 10 月对 LCLS 的激光束线进行维护。

LCLS-II 对改善日常 科技 有重大意义。除非你非常固执，否则你今天使用的手机和你在2010年使用的手机肯定是不一样的。事实上，你十年前用过的手机电池很可能早就坏了。但在去年，LCLS的研究人员发明了一种新的电池设计，它可以将一个重型电池组件的重量减轻80%，并能自动熄灭任何电池火灾。 对药品和智能手机等现代产品的改进，是在最小的尺度上进行的（在原子层面上解决问题），这改变了我们日常生活中宏观物体的形状和设计。

【 仪器 】

在SLAC 国家加速器实验室，不同类型的调查（无论研究人员是在 探索 有机材料还是爆炸小块金属）会使用不同的仪器。 LCLS-II 的 X 射线脉冲升级将全面提供帮助，使科学家能够在分子尺度上拍摄反应的电影。 以每秒一百万次脉冲的速度，SLAC有效地将这些分子电影从定格动画升级到了4K。

例如，相干 X 射线成像仪器可用于观察蓝藻中的蛋白质在被激光粉碎时如何反应。 LCLS-II 将提高科学家对该反应的了解程度。哥伦比亚大学的生物物理学家詹姆斯·巴克斯特说：“目前，我们的想法是，我们在 X 射线束前进行采样（以捕捉反应），但由于 X 射线之间存在间隙，很多东西被浪费了。但是，当我们有更多的 X 射线进入时，我们将获得更多的照片，以更快、更有效的方式获得数据，而样本更少。”

上图：一名研究人员举起一根针，该针在相干 X 射线成像仪器中发射样本。

想象一下狂欢舞会上的闪光灯。如果频闪灯闪得足够快，你基本上会感觉灯是常亮着的。如果那种闪烁是错开的，你只能瞥见黑暗之间的房间。生物物理学家詹姆斯·巴克斯特指出，“这些实验很有趣”，这可能是另一种与狂欢的相似之处。像詹姆斯·巴克斯特这样的研究人员被称为用户，他们在进行实验时会接管给定的仪器三到五天。 SLAC 附属的束线科学家随时为他们提供现场支持，并可以根据研究人员的规格编辑电子束。

去年10月份时，康奈尔大学的物理学家安德烈·辛格和他的团队正在 SLAC 使用 X 射线相关光谱仪，来观察钌酸钙样本是如何从绝缘体跃迁到金属的 —— 这种转变大大减少了材料的电导率，并在皮秒内发生。（LCLS图像的时间尺度为飞秒，也就是皮秒的千分之一，而皮秒本身就是万亿分之一秒。）安德烈·辛格表示：“我们对超快时间尺度下的凝聚态物质系统成像感兴趣。使用LCLS-II，我们将能够将分辨率提高五到十倍。显然，我们将会看到我们现在看不到的东西。”

【 激光 】

在这些实验大厅的任何一天，构成我们周围世界的基本过程都被 探索 或推到了极限，从实验中收集的数据被无情地询问。大厅里装饰着 Hello Kitty 壁纸、luchador 纪念品和涂鸦，展示了在强大设备中工作的许多个性。携带来自加速器的 X 射线的管道穿过实验舱，就像研究人员在轮到他们进行实验时汲取的高能血液一样。当激光启动时，每个房间都会亮起明亮的紫色指示灯。

上图：SLAC 科学家的大量涂鸦。

线性加速器中有一个广泛的警报系统，以及在发生氦泄漏或辐射问题时可以躲避的房间。当接收端的研究人员准备进行实验时，他们会搜索小屋的四个角落，并大声喊出“搜索！”太平洋西北国家实验室的科学家伊利莎·拜辛解释道。一旦他们确定小屋里没有人，就会有特殊的门将房间与建筑物的其他部分密封起来。 “X 射线很危险，因为它们可以电离物质，”伊利莎·拜辛说，“没有人会希望自己身体的软组织之类的东西被电离。”

斯坦福大学的物理学家、SLAC的帕诺夫斯基研究员本杰明·奥弗里-奥凯解释说，被激光束击中可以把材料“变成汤”。他说，这种反应从附近传来，听起来就像“砰”的一声。

这些物质变成的“汤”就是等离子体，这是一种很难处理的材料。但LCLS派上了用场。本杰明·奥弗里-奥凯说：“等离子体倾向于反射很多光，这意味着如果你想用光来询问它，是困难的。但X射线是个例外。事实证明，X射线能很好地穿透等离子体。所以这就是为什么LCLS作为一种工具，在 探索 这类复杂系统方面具有独特的能力。”

【 管道 】

LCLS-II 比它的前辈能够管理更多的脉冲，因为它不是将电子送入铜管，而是将它们发射到一系列超导铌金属腔中。如果，你试图通过LCLS铜管发送这么多电子脉冲，它们（铜管）就会熔化。

这37个超导管被称为低温模块，因为它们的超导能力是由于它们接近绝对零度的温度。低温模组将被冷却到-456华氏度（2开尔文）。它们为电子提供了一个几乎无摩擦的路径来完成长达2英里的旅程。

LCLS-II 的电子将由电子枪产生，电子枪本身就是一个小型的加速结构。碲化铯光电阴极（光电阴极是将光子转化为电子的表面）被驱动激光用紫外光照射，发射出大量电子。枪内有一个激发粒子的射频场，它们被直接释放到第一个加速低温模块中。

最重要的是，一座核心的建筑贯穿了地下加速器的整个长度。 SLAC 人员经常将其描述为世界上最长、最直的建筑。这是速调管廊，之所以如此命名，是因为它装有 2500 磅、6 英尺高的罐子，这些容器可以产生微波脉冲，LCL电子可以在其上飞行。每个速调管的功率是微波炉的 60000 倍。利用这些脉冲有助于保持电子之间的自然排斥，使所有具有相同电荷的电子聚在一起，这对于在另一端产生X射线很重要。

除了廊中的速调管外，还有固态放大器，它们对 LCLS-II 的意义就如同速调管对原始 LCLS 的意义。这些放大器产生的射频，通过管道传送到下方约 25 英尺的低温模块中。

低温模组携带液氦，液氦在附近的一个称为低温工厂的建筑中冷却，该建筑是在过去四年里专门为线性加速器的过冷而建造的。冷冻装置里装满了装氮气和氦气的大桶，这是由前能源部长里克·佩里签署的。如果没有它，整个操作将是无用的。

上图：SLAC 的低温装置。

因为这些管子不是处于真空状态，而是低温模块中的电子处于真空状态，所以射频波穿过加速器一侧的陶瓷圆盘，该圆盘被称为窗口，它阻止空气进入真空，但允许波通过。一旦LCLS-II电子通过低温模组，它们就会以极快的速度在这列近乎光速的列车上行驶到最后一站。

这些止动装置是加速器末端的波动器，它使用一系列磁铁引导成组的电子通过管子。磁铁有交变的电荷，使电子基团来回反弹，同时发射X射线。这些X射线有两种类型：硬X射线，即所谓的能量（或“亮度”）大；另一种是软X射线，在处理样本材料时亮度较低，但更精细。还有柔韧的X射线，一种硬X射线和软X射线的混合，它可以提供对材料的独特一瞥，这些材料的成分在硬X射线和软X射线中都能更好地看到。在LCLS受脉冲率限制的情况下（因为SLAC不想熔化铜加速器），超导加速器会不间断地传输电子。

加速器委员会实验室副主任安德鲁·伯里尔说道： “现在有了更多的光子，就有更多的X射线可以用于科学研究。如果你在收集数据，每秒120次拍摄需要很长时间。但每秒一百万次，根本不需要花任何时间。”

【 实验室 】

上图：研究人员评估 ChemRIXS 仪器的性能。

在SLAC多年的研究中，一些科学家意识到他们可以利用碰撞实验的一个副作用：当电子改变轨道时，它们会发出辐射。这种副作用对于试图观察粒子碰撞的人来说是很烦人的，但对于任何试图获得高能X射线成像的人来说，这是非常有用的。

非凡的 LCLS-II 项目已接近尾声，但最后的步骤既重要又复杂。低温工厂的负责人埃里克·福夫表示，“现在正在进行冷却。我们预计将在2022年秋末实现制造X射线的首个光的里程碑。”

但是，任何一个价值数百万美元的物理项目，不仅有其下一次升级的计划，而且还有之后的升级计划。一些研究人员，包括本杰明·奥弗里-奥凯和试图发现暗物质的物理学家，正期待着 LCLS-II 的高能更新，也许被称为 LCLS - II - HE 更合适。

本杰明·奥弗里-奥凯说：“ 记住，当SLAC成立时，它还是一个粒子物理实验室。LCLS可以说是SLAC目前的主要价值产品，或者至少是它最外在的投射，它并不存在，没有人认为它会成为一种东西。在高能物理学中，根本没有人关心飞秒X射线脉冲的概念。 ”

这当然已经改变了，尽管 LCLS-II 的X射线脉冲很快就会被一些更好的技术所取代。但从每秒120次脉冲到100万次脉冲的飞跃是具有纪念意义的。因此，在继续进行下一件大事之前，也许值得细细品味这些明亮的 X 射线，以及制造它们所需的大量机器、物流和人员……哪怕只是一飞秒。

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