В природе существует множество вещей и явлений, которые мы не можем понять из-за того, что мы не имеем возможности их увидеть в реальном времени. Снимки отдельных атомов и молекул уже были получены какое-то время назад, уже были сделаны первые попытки проведения видеосъемки процессов, в том числе и движения электронов, протекающих во время химических реакций. Но для получения по-настоящему высококачественного научного материала требуются большие мощности за более короткие промежутки времени, чем то, что может обеспечить имеющееся сейчас научное оборудование.

Одним из научных приборов, используемых для проведения скоростной съемки, является рентгеновский лазер LCLS (Linac Coherent Light Source), находящийся в распоряжении ученых Центра линейных ускорителей Стэнфордского университета (Stanford Linear Accelerator Center, SLAC). Этот лазер способен вырабатывать импульсы рентгеновского излучения с рекордным на сегодняшний день уровнем яркости и длительностью всего в несколько квадриллионных долей секунды. А в самом ближайшем времени этот лазер, суммарная длина которого превышает 3 километра (2 мили), получит кардинальный апгрейд, в результате которого он станет еще мощней и быстрей.

Стоимость проведения модернизации лазера оценивается в 1 миллиард долларов. План модернизации заключается в демонтаже около третьей части его оборудования и установке нового более современного оборудования. И после этого новый лазер, который получит название LCLS-II, станет в 8 тысяч раз быстрей и в 10 тысяч раз ярче.

Нынешний лазер LCLS используется для изучения достаточно обыденных вещей, но с весьма необычной «точки зрения». Исследования процессов фотосинтеза на уровне отдельных атомов уже позволили поднять эффективность солнечных батарей, а снимки химических связей между атомами водорода и кислорода в молекуле воды используются в разработке новых типов катализаторов для процесса расщепления и получения водорода, который является перспективным типом экологически чистого топлива.

Лазер LCLS работает, фокусируя тераватты излучения рентгеновского диапазона, сжатые в очень короткий импульс, на очень маленькой точке пространства. Длительность импульсов, как уже упоминалось выше, измеряется фемтосекундами, квадриллионными долями секунды. Существующая энергетическая система позволяет сейчас лазеру LCLS генерировать сверхкороткие импульсы с частотой 120 импульсов в секунду. После модернизации лазер LCLS-II будет способен генерировать порядка миллиона импульсов в секунду, потребляя такое же количество энергии, как и прежде. Несмотря на то, что импульсы будут вырабатываться гораздо чаще, они будут намного короче, чем раньше и их энергия будет ниже, чем энергия импульсов лазера LCLS. И, для того, чтобы понять какими энергиями оперирует лазер LCLS, следует отметить, что сейчас энергия одного импульса эквивалентна энергии, заключенной в одной чашке горячего кофе.

Новый лазер LCLS-II будет использоваться для исследований, в которых не требуется большой энергии, но которые сильно зависят от времени наблюдения. Если ученым требуется определить с точностью до фемтосекунд время образования связей между атомами, то это уже можно будет сделать при помощи лазера LCLS-II. Но если ученым потребуются исследования более плотных материалов и органических веществ, то им придется вернуться к лазеру LCLS-I, который более медленен, но более ярок.

Главным компонентов будущего апгрейда является сверхпроводящий ускоритель. Сейчас большая часть токопроводящих узлов этого устройства изготовлена из меди. А в новом ускорителе медь будет заменена на сплав, содержащий ниобий. Когда этот сплав будет охлажден до криогенной температуры, он будет иметь практически нулевое сопротивление, позволяя электрическому заряду распространяться быстрее, с меньшими потерями по всей длине проводника.

Несмотря на изменения, новая система будет работать точно так же, как и старая. Электроны будут разгоняться почти до скорости света и направляться в промежуток между сильными магнитами. Магнитное поле будет тормозить высокоэнергетические электроны, которые сбрасывают излишки энергии в виде потока когерентного и монохроматического рентгеновского излучения.

Процесс модернизации лазера LCLS финансируется американским Министерством энергетики. Согласно планам, лазер LCLS-II вступит в строй в 2020 году, но существующий лазер LCLS будет продолжать функционировать за исключением 6-месячного периода в 2017 году и 12-месчного периода в 2018-2019 годах.