有很多事情我们并不完全理解，因为我们就是看不见它们。单个原子和分子已经被捕捉成静态图像，但要捕捉它们运动的视频则需要更快的速度和更强的能量。为了做到这一点，斯坦福大学SLAC国家加速器实验室（SLAC以前是斯坦福直线加速器中心的缩写）的研究人员使用一种X射线激光器，它以令人难以置信的快速速度（千万亿分之一秒）发射，制作化学反应的定格视频。激光器几乎有两英里长。而现在，它将得到升级。
SLAC 昨天宣布，其X射线激光器——直线加速器相干光源（Linac Coherent Light Source）——将获得一项价值10亿美元的升级。计划是拆除现有激光器三分之一的部分，并用特殊部件重建该部分，使其能够以8000倍的速度和10000倍的亮度运行。新部分将被命名为LCLS-II。
LCLS被用来以一种不同寻常的方式研究那些极其常见的事物。通过在原子层面观察光合作用，我们或许能够找出如何制造更高效的太阳能电池板。通过观察氢氧键如何形成，我们或许能够制造出更高效的燃料，LCLS项目总监Mike Dunne说道。
“今天观察这些系统将完全不切实际，”Dunne说。“如果你想到照片和电影的区别，你就能体会到LCLS问世带来的阶跃式变化。”
LCLS的工作原理是将X射线频谱的太瓦级光束在极快的脉冲中聚焦到一个点。脉冲本身只持续飞秒，也就是千万亿分之一秒。以目前的运行速度，该机器每秒可以发射120个脉冲。升级后，LCLS将能够每秒发射一百万个脉冲，使用相同的能量。虽然脉冲的频率更高，但它们也更快，从而减少了每个脉冲消耗的能量。这就是为什么新的LCLS一公里运行一秒钟的脉冲消耗的能量与旧的LCLS两公里运行相同，而旧的设备仍将继续运行。平均每秒消耗的能量是相同的。总而言之，每个脉冲的总能量消耗与一杯热咖啡的能量相当。
Dunne表示，新部分将用于那些不需要太多光，但对时间要求非常高的研究。如果科学家们想观察氧和氢结合的确切飞秒时刻，他们将从LCLS-II获得更精确的数据。但对于有机组织等更致密的样本，SLAC团队将回归使用更强大但速度较慢的LCLS-I。
实际的升级集中在一个“超导加速器”周围。目前，激光器的大部分导电材料由铜制成，就像大多数家庭的电线一样。超导加速器将利用一种主要由铌（一种用于喷气发动机和火箭的金属）组成的化合物。当铌化合物被冷却到零下456华氏度（约零下271摄氏度）时，它会以几乎零的电阻导电，从而使电荷能够更快、更有效地在导体长度上移动。
尽管有这些变化，新系统的工作原理与旧系统几乎相同。电子几乎以光速沿着巨大磁铁之间的路径被抛射。磁铁将电子拉离其预定路径，从而发射X射线。
正如人们所料，这两种方法都要消耗大量能量。Dunne表示，这些项目的能源成本每年高达数百万美元。
此次升级由美国能源部资助，预计将于2020年代初投入使用。X射线激光器的现有部分仍将继续运行，但将在2017年的6个月和2018-2019年的12个月期间进行停机。
