為什麼直線加速器相干光源技術（LCLS）這麼厲害？快到可以拍下活細菌的 X 光照片？

01-27

美國國家加速器實驗室的科學家為一個藍藻細菌拍下了史上首張活細菌的X光照片。這曾經是不可能的任務，因為細菌會在照片拍好之前就被X光殺死。這一次，科學家採用了一種叫直線加速器相干光源（LCLS）的技術，拍攝速度大大提高，能在其被殺死前拍下清晰照片。

感覺很厲害的樣子，這是種什麼技術啊？怎麼做到速度提升的？難點是什麼？

XFEL-CDI這個研究方向正是我的博士研究課題，活體細胞這篇文章是美國LCLS與德國DESY的研究者他們合作完成的。於2015年年初發表在Nature Communications上面。要實現活體細胞/細菌成像，必須同時使用XFEL與CDI技術，XFEL的飛秒脈衝的優勢在這裡就顯現出來了。

上面說的LCLS其實都不準確，LCLS是美國SLAC下面X射線自由電子激光裝置的名字，就像日本的SACLA自由電子激光裝置，上海的SXFEL軟X射線自由電子激光裝置一樣。XFEL（X-ray free electron lasers）中文標準翻譯是X射線自由電子激光，是一種X射線，具有超高亮度、全相干、飛秒脈衝等特點。

XFEL是直線加速器中的電子束加速至接近光速，成為相對論電子，在波盪器作用下產生正弦運動路徑，在運動軌跡切線方向產生同步輻射光，同步輻射光與電子束運動周期相同，於是得到相干疊加的光場，這種相對論電子束的能量被轉換為相干輻射的激光輸出，是一種「自放大自激發」（self-amplified spontaneous emission, SASE）方式，不同於傳統的激光中束縛電子的能級躍遷。產生的x射線具有超高亮度，全相干，飛秒脈衝等特性。理論上可用來進行原子級解析度的成像，時間分辨研究（time-resolved）,pump-probe研究等。

XFEL的產生機理如下圖：

圖 1 XFEL的產生機理示意圖

可參看文獻 Tetsuya Ishikawa, et al. Nat Photonics, 6 540 (2012) ；

P. Emma , R. Akre, et al. Nat Photonics, 4 641 (2010).

圖 2 XFEL相比於X射線發射管，一代同步（如兼用的北京正負電子對撞機），二代同步（合肥同步輻射國家實驗室），三代同步（如上海光源）的亮度對比正因為XFEL這種全相干、高亮度、飛秒脈衝的特性，使得X射線能在活體細胞/細菌死亡前就能獲取衍射成像的信號。簡單的說，就是活體細胞的死亡是需要時間的，獲得信號所需的時間遠小於細胞死亡的時間。這種原理的說法便是「diffraction before destruction」.

除了採用XFEL作為光源外，實驗中採用的相干衍射成像方法（Coherent X-ray Diffraction Imaging,CDI或CXDI）必不可少。因為XFEL超高亮度的原因，X射線脈衝擊打在任何樣品上，都會使其最終離子化，樣品被損傷破壞了。因此，同步輻射上使用的CT技術，STXM等技術無法實現，只能使用無透鏡成像的相干衍射成像技術。相干衍射成像技術是在相干光照射下，遠場處獲得樣品的衍射圖樣，滿足過度取樣率條件下，採用相位恢復迭代演算法重建出定量、高分辨、高襯度的時空間圖像。 CDI技術這一設想由D. Sayre於1980年提出，直到1999年世界上首次 CDI實驗才在美國NSLS 實現。具體的可以參照UCLA 的Jianwei Miao教授或者德國DESY Henry Chapman、英國UCL的Ian Robinson等大牛的研究文章。國內目前做的最好的便是山大的江懷東教授課題組，其他課題組也有在這方面摸索的，但目前都處於起步階段。

來自「Newton-科學世界」的微博的動圖（如上所示），基本清楚的解釋了該問題。

1、生成X射線圖像需要用大量的X光子掃描目標物，其中部分X光子會被目標物吸收，物質對X光子的吸收水平因其密度和數量不同而異，通過分析穿過目標物的剩餘X光子的分布（即X射線投影圖），可以得到目標物內部的結構情況。

2、常規X射線發射設備產生的X光線是左圖的形式：很多X光子分布在較長的一段時間維度內，X光子的分布密度較為鬆散，因此在短時間內不足以形成清晰的X射線投影圖，同時由於X光子的高能量會在短時間內殺死細菌，所以常規X射線發射設備無法拍攝活體細菌透視圖。

3、LCLS（直線加速器相干光源，動圖中右圖所示）可以將大量的X光子壓縮在非常短的一段時間維度內（即超短脈衝），因此可以在細菌被X射線殺死之前形成清晰的X射線投影圖，從而也就拍到了活體細菌透視圖。上述動圖的微博網址：

http://weibo.com/1526829773/C47crCFxG?type=comment#_rnd1427379662932

就我一個看完題主的問題後想笑嗎？心疼藍藻

謝邀，第一次回答問題，雖然是光學專業，但對這一塊也不太懂，有出錯之處請見諒。

直線加速器相干光源技術（LCLS），加速的是自由電子，目的是為了提高自由電子的能量從4.3GeV加速到136 GeV，X射線可以理解為高能量的光子，其產生應該是利用高能電子的振蕩，控制其損失而從高能電子束獲得能量（這些高能電子通過一個交替極性的磁體陣列（波盪器），利用磁場控制電子的來迴路徑，並且釋放光能）。輸出波長在0.15 ～1.5nm之間可調諧，輸出脈衝寬度可達80fs，每個脈衝包含10萬億個X射線光子。

難點應該是如何控制其輸出脈衝寬度和如何控制高能電子振蕩來損失能量產生X射線。

上海光源的自由電子激光裝置正在建，佔座先。

我一直想問個問題電鏡下看到的東西到底真不真實？

要得到清晰的圖片，需要滿足兩個條件：即曝光時間 X 光通量。

要想得到活細菌的X光照片的話就需要在極短時間內對其曝光，這就需要極強的光強來保證照片清晰度。

LCLS可以產生飛秒級（千萬億分之一秒)的激光脈衝,這種極短時間內的脈衝激光可以對活細菌進行瞬間曝光，在其未被殺死前就得到X射線圖片。

謝邀，我也不知道。你可以試著閱讀下相關文獻。

作為本科生，我只能說些常識性的東西。

1眾所周知，波長越短，則光頻率越大，時間間隔短，則能夠觀測到的化學反應越多。

2當電子躍遷時，會釋放X射線。

謝邀，

作為本科生，我並不太懂。

本質是X射線的激光器，眾所周知波長越短，光子能量越大。所以X射線激光的能量比紅外，可見光，紫外波段的能量強。

2009年，LCLS的研究人員第一次使用大功率X射線激光器發出直線連續光，此X射線已經比其他任何人造光源發出的脈衝亮度都要高，測試光的波長為0.15納米（nm），是當時人類創造的最短波長同時具有最大能量的光。

其次這種激光的脈衝更短，fs量級？所以能拍到活細菌的X光照片。

難點嗎，自然是X光能量太強咯。

現代激光器大部分是要有光學諧振腔的，可以理解為一前一後兩塊鏡子，只是前面那塊是全反射的，後面那塊部分反射，然後有一部分出去。光線在不斷在腔內反射的情況下不斷加強。

X射線具有眾人皆知的穿透能力。對於X射線來講，不存在高反射率的鏡子，所以也沒辦法形成諧振腔。

所以，要想得到他，能量必須很強。剛開始美國人是用核爆炸產生的X射線激勵激光工作物質，使其產生X射線激光。

現在是用自由電子激光器從高能電子束獲得能量，管線長度就有幾公里。壕啊！

（如果有誤，請大牛指正。）

剛巧我正從事XFEL相關的光束線設計與診斷工作，正準備去宇宙中心的PAL-XFEL搬磚。如果允許，我將在4月5號（CSC截止）之後回答題主的問題，見諒。