破解XFEL

在德国汉堡郊区的地下掩体中，克里斯蒂安·布雷斯勒(Christian Bressler)将欧洲x射线自由电子激光器(XFEL)的一端放置在地下掩体中，离开实验后，他迅速做出了一个决定。飞秒x射线实验仪器(FXE)的首席科学家兴奋地说:“来吧，在我们关闭舱室之前，我会快速地向你展示我们的设置。”“30秒，”他的一个队友喊道。

布雷斯勒指着一根短而细的栗红色液体垂直喷射向空中。它是一种铁复合物的溶液，是XFEL前两次实验之一。喷流周围是一长排不锈钢真空室，里面有透镜、重型狭缝和探测器等物品。布雷斯勒的团队即将向液体发射一束x射线，其亮度最终将比最好的传统光源高出10亿倍。在他解释的同时，一个自动的女性声音开始警告仍在防护舱内的人离开，以避免被困在舱内并暴露在辐射中。

XFEL强大的能量为探索化学提供了全新的能力。例如，Bressler希望在物质反应时同时跟踪原子和电子的行为，观察事件持续时间仅为15飞秒，或15千万亿分之一秒。其他的可能性还包括从通常对x射线衍射来说太小的晶体中确定结构，以及记录酶和潜在药物等物质之间生物相互作用的图像和电影。

第一次实验运行于2017年9月14日开始-完全由manbetx手机客户端3.0．目前计划的六台欧洲XFEL仪器中只有两台投入使用。他们的科学家们正努力工作，在发表令人兴奋的成果的竞赛与学习如何运行一个全新的设施之间取得平衡。

安全地回到外面，Bressler解释说，他们开始在他们之前研究过的化学系统上使用FXE。褐红色络合物形成不寻常的铁(V)氧化态。现在，欧洲XFEL将提供关于这一过程的更深入的见解，以帮助化学家开发它。尽管一米厚的混凝土墙将部分硬件与FXE厨柜隔开，但它被一幅壁画所覆盖，展示了外面的世界。

巨大的电子

FXE的科学家们即将利用的x射线的产生过程始于3.4公里外的德国同步加速器DESY。这个旅程从世界上最长的超导直线加速器开始，它充满了引导电子束的磁铁。这些至关重要的磁体由俄罗斯生产和供应，占欧洲XFEL总成本15亿欧元(13.3亿英镑)的四分之一。建设设施和提供专业设备的资金有一半由德国承担，其余由包括英国在内的10个欧洲国家分担。

该加速器最终将以每秒167万亿电子的速度加速至17.5GeV。加在一起，这一秒的电子所拥有的动能相当于一只成年大象全速奔跑的动能。再往下走2.1公里，它们可以在两条隧道之间切换——尽管目前只有一条在运行。

在最后的拉伸过程中，电子通过一个212米长的“波浪形”，产生了一束类似激光的相干同相x射线。同样，目前只有一个称为SASE1的波动器在运行。SASE2的波长相同，SASE3的范围不同，它们将在2018年底加入。在白班期间，从早上8点到晚上8点，SASE1馈电FXE。在晚上8点到早上8点的夜班期间，它为邻近的仪器(SFB/SFX)提供食物，该仪器进行单粒子、簇和生物分子实验，并进行一系列飞秒晶体学。

10飞秒的速度足以有效地冻结原子运动

Richard Bean，欧洲XFEL

SFB/SFX科学家Richard Bean评论说，波动器利用了电子通过磁铁会产生辐射的事实。像DESY和英国的环形同步加速器钻石设备产生x射线在他们的光束弯曲磁铁和短波动。但是欧洲XFEL的波动子将许多磁铁并排排列，从而实现了自放大自发辐射(SASE)，这就是它们的名字。

比恩解释说，当电子束穿过波动器时，它们会左右移动并辐射x射线。他说:“最终，x射线会将电子排列在一起，让它们一起移动。”“当这种情况发生时，x射线辐射会大幅增加。”The resulting x-ray laser beam is also what’s needed to cause the interference effects seen in crystallography. Bean points to a postcard showing dots arranged like a plus-sign, the first diffraction pattern the European XFEL generated. ‘That’s coherent light falling across an aperture,’ he says.

这一点很好

排列出这样的图案并不容易，因为尽管产生这种图案的设备有几公里长，但强大的x射线束的聚焦直径只有两微米左右。FXE和SFB/SFX现在都将其与具有潜在相似尺寸的液体射流对齐。Bean解释说，SFB/SFX团队在前一天晚上成功地从钛酸锂粉体校准标准中收集了衍射数据，这是他们第一次实验运行的第一天。然而，它们无法将喷水器排成一条直线，现在正准备再试一次。比恩补充说，自动设置的“数千个马达和传感器”可以让团队安全地在笼子外进行尝试。

在SFB/SFX开始第二天光束时间的一个小时前，Bean和SFB/SFX的首席科学家Adrian Mancuso向大约50名同事发表了讲话。来自DESY自由电子激光科学中心(CFEL)的Anton Barty加入了他们。巴蒂设计了第一个计划中的SFB/SFX“社区提案”，允许房间里的研究人员研究具有生物学意义的蛋白质。从他们的问题中，很明显，准备蛋白质晶体的“样本人员”没有耐心。

他们渴望利用XFEL加速器的狭窄电子束在10飞秒脉冲内产生的x射线爆发，Bean解释说manbetx手机客户端3.0．他补充说:“10飞秒的速度足以有效地冻结原子运动。”“它就像一个频闪灯。”In its first experiments, the European XFEL is producing 300 pulses per second, more than twice the Linac Coherent Light Source (LCLS) XFEL in the US. In about a year that could reach 6000 pulses per second, as it works towards 27,000 pulses per second. The gradual ramp-up reflects the necessary precision. ‘If you push this much power in, if the hundreds of pieces that have to be exactly in the beam are not perfectly aligned then you can start doing a lot of damage,’ Bean underlines.

当曼库索揭示XFEL的光束目前处于下行状态时，谨慎的必要性变得清晰起来。其中一个管状超导模块已经“流行”了。

破坏前衍射

光束在布雷斯勒巡行期间即将开始的FXE运行结束时坠落。在铁(V)实验中，Bressler的团队希望利用XFEL产生的大量x射线来进行衍射和x射线发射光谱。¹布雷斯勒说，这将使他们“不仅能了解原子的作用，而且能了解为什么”。

类似地，XFEL的许多强脉冲对于SFB/SFX仪器向溶液中的蛋白质晶体喷射发射它们的散射方法至关重要。²比恩说:“有时你会碰到晶体，有时不会。”“但如果你打得足够多，你就会得到几十万个带有晶体衍射的图案，从中你就能得到分子的电子密度。”

曼库索补充说，这些脉冲被组织成10束，每束每秒30个，其中脉冲之间的间隔约为百万分之一秒。束状结构创造了一个新的维度pump-probe实验，使用x射线晶体学来探测由泵浦激光启动的化学反应。曼库索解释说:“在同步加速器中，你需要在不同的时间步骤上进行多次集成。”这通过逐渐增加泵和探头之间的间隙来分别捕获过程中的每一帧。但他补充说，由于欧洲XFEL收集了大量x射线，它们之间的距离很近，所以它可以同时记录几帧图像。

事实上，x射线束是如此强烈，以至于它会破坏它击中的每一个晶体。但由于晶体以声速爆炸，而x射线以光速传播，每个晶体在爆炸前仍能产生丰富的数据。然而巴蒂指出，这种“毁灭前的衍射”仍然会带来后果。他说:“我们知道喷流会爆炸，但我们还得找到下一个晶体。”“我们如何在给定的时间或20个时间点内快速获取20倍多的结构数据?””

“你想得太坏了”

因此，巴蒂的SFB/SFX社区提案旨在帮助解决这个问题，这样做可以让不同的小组对蛋白质进行相对简单的研究。巴蒂解释说:“通过筛选，我们知道(蛋白质晶体)衍射良好，但它们形成的晶体非常小。”“在LCLS，我们拍摄生长在细胞中的晶体，这些晶体不能长得比细胞大，否则细胞就会死亡。^3.这些可以在XFEL上很好地运行。你不需要花6-12个小时才能弄到一个结构，最终几分钟就可以开始翻转。”

这样的速度也带来了计算压力。巴蒂说:“在LCLS，你每小时可以得到50万张衍射图，而在这里，理论上我们可以测量到3000万张。”“我们将每小时产生数十tb的数据。然后你就得能熬过去。”

社区提案包括免疫系统蛋白髓鞘分化初级反应88，或MYDA88，正在研究中康妮Darmanin他在澳大利亚墨尔本拉筹伯大学的实验室。MYDA88的结构以前已经通过同步加速器的x射线衍射确定过，但很困难，因为它形成了又长又薄的晶体。它们的大小阻碍了她的博士生苏珊娜·霍姆斯(Susannah Holmes)在同步加速器上进行更复杂研究的努力，这些研究可能有助于设计治疗炎症相关疾病的药物。

因此，XFEL研究小晶体的能力是理想的——如果他们真的能让SFB/SFX仪器运行得足够好来研究它们的话。达尔曼宁承认:“进入一个我们知道是委托的实验，你会往最坏的方面想。”他说，我们总是在最后几个小时获得数据。

佩特拉·弗洛姆的亚利桑那州立大学团队正在研究利用阳光转化CO的光系统植物蛋白质₂转化成我们吃的分子和呼吸的氧气。⁴“光系统I由超过15万个原子组成，”Fromme强调。“它有288个叶绿素，这就是为什么它是绿色的。”这是一个巨大的分子机器，我们制造了绿色的小晶体，然后希望能把它们输送到光束上。”

如果我们开始看到任何东西的衍射数据那就是香槟时刻

阿德里安·曼库索，欧洲XFEL

Fromme的团队在2017年11月有一个SFB/SFX波束时间插槽，科学家们希望在那里用激光启动光系统I，并制作一个“小迷你电影”。但从藻类中分离出它是一个艰巨的过程，需要几个月的时间，产生的晶体变化很大。因此，光系统I的科学家们跟随第一个实验，希望看到哪种尺寸的晶体可能效果最好。

维珍模式

Bean在锣声中召开了第三天的SFB/SFX会议。他解释说，在第二天，将光束扩大到150微米，实际上可以让x射线击中喷气机的喷嘴，但研究小组仍然无法记录到水的喷射。所以今晚的目标是看看强烈的x射线是如何影响水的希望能研究一种廉价而丰富的蛋白质。曼库索说:“如果我们开始看到任何东西的衍射数据，那就是一个香槟时刻。”

虽然来自Diamond的Allen Orvile目前没有直接参与，但他正在关注并希望团队继续进行，因为他正在领导SFB/SFX的第三次实验，从9月28日开始。他的社区提案旨在建立在他之前工作的基础上⁵通过让酶晶体与底物分子混合，我们知道它们会相互作用。Orvile解释说，这只能对SFB/SFX仪器适合研究的小晶体起作用。此外，紧密间隔的脉冲束应该能够捕获进出酶的底物。

当第四天会议的钟声响起时，好消息就来了。前一天晚上，SFB/SFX小组让喷射物与x射线束相交。虽然收集大量高频衍射数据所需的复杂探测器表现得有点奇怪，但它们确实记录了模式。因此，Mancuso和Bean考虑设置标准，以帮助决定以何种顺序尝试该组蛋白质。由于第5天将会有另一次转换，Darmanin似乎有可能在最后几个小时之前看到MYDA88的数据。

在第四天再次遇到布雷斯勒离开他的实验，他皱巴巴的样子反映了领导XFEL第一个“班级”的挑战。从积极的方面来看，他的团队已经将其褐红色液体射流与x射线束和激光对齐，以便进行泵浦探测研究。然而，他们还没有将探测器上线，他们需要通过x射线发射来研究电子结构。布雷斯勒承认，他不确定这一次我们是否能够进行新的科学研究。

然而，布雷斯勒预料到了这一点，并故意选择了他的团队的一个实验作为将受到影响的结果。他说:“我们知道，在第一次用户实验之前，XFEL和所有的周边很快就完成了，当我们知道事情会成功的时候，把我们自己放在最后是不公平的。”他说，现在一切都处于原始模式。

然而，他的兴奋仍然散发着光芒。他相信他的团队很快就会记录下化学家们以前认为太过短暂而无法看到的那种转变过程。他兴奋地说:“我们实际上即将捕捉到这一点。”

安迪·Extance是一位生活在英国埃克塞特的科学作家