通過(guò)X射線跟蹤原子的化學(xué)反應(yīng)，觀察汽車(chē)催化變換器內(nèi)部，或者活的細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的情況，利用新的TESLA X射線激光器均可作到。TESLA X射線激光器產(chǎn)生高流強(qiáng)超短X射線帶有激光特性的閃光。4公里長(zhǎng)的電子加速器驅(qū)動(dòng)幾臺(tái)新的X射線激光器，它們的峰值亮度比現(xiàn)代X射線激光器高10億倍，時(shí)間分辨率高1000倍。閃光的延續(xù)時(shí)間低于10-12秒，波長(zhǎng)小到甚至可以識(shí)別原子結(jié)構(gòu)，波長(zhǎng)可在6-1/10 毫微米范圍內(nèi)變化。 

　　這種短的難以想象的X射線脈沖能夠使科學(xué)家將來(lái)自微觀世界的東西記錄下來(lái)– 比如監(jiān)視一個(gè)化學(xué)反應(yīng)如何進(jìn)行，或固體是如何形成的。 

　　TESLA X射線激光器的峰值亮度比甚至最現(xiàn)代的X射線激光器高10億倍，時(shí)間分辨率高1000倍，X射線閃光不大于100飛秒。這是形成化學(xué)鍵和分子組重新定位的時(shí)間期限。X射線的波長(zhǎng)很短，甚至原子結(jié)構(gòu)都可辨認(rèn)出來(lái)。

　　在飛秒化學(xué)領(lǐng)域，研究人員與一秒中的點(diǎn)滴時(shí)間打交道，旨在跟蹤化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。飛秒代表兩個(gè)分子發(fā)生反應(yīng)時(shí)在原子級(jí)發(fā)生變化的時(shí)間范圍。超快激光器像個(gè)瞬時(shí)“拍照”化學(xué)反應(yīng)的“照相機(jī)”，暴光時(shí)間為飛秒。原理是初始的激光脈沖觸發(fā)光化學(xué)反應(yīng)，然后第二個(gè)脈沖立即將其照明。第二個(gè)閃光必須精確可調(diào)，以便在完全確定好的時(shí)間觸發(fā)“拍照”。這樣按第一和第二個(gè)束流之間可變間隔拍下的瞬時(shí)照片形成反應(yīng)過(guò)程的圖像（左圖）。 

　　TESLA X射線激光器產(chǎn)生一個(gè)極強(qiáng)的X射線束流，并可出色地聚焦。它可以做出微觀世界的圖像，其細(xì)節(jié)和時(shí)間分辨率前所未有和無(wú)可比擬。TESLA激光器產(chǎn)生的一個(gè)單個(gè)激光閃光的亮度非常高，高到它可生成具有原子清晰度的反應(yīng)分子的圖像，閃光延續(xù)時(shí)間約為100飛秒 – 這是分子之間發(fā)生反應(yīng)中變化的時(shí)間。兩個(gè)激光閃光之間的間隔，即觸發(fā)脈沖和圖像脈沖之間，可系統(tǒng)地和精確地調(diào)到10-12秒。TESLA激光器的閃光可以跟蹤和了解化學(xué)反應(yīng)的精確機(jī)制 – 譬如可在光電子學(xué)，光電和燃料，或太陽(yáng)能電池方面找到應(yīng)用的反應(yīng)。

　　利用粒子加速器產(chǎn)生的強(qiáng)X射線,現(xiàn)在可以詳細(xì)地分析生物分子結(jié)構(gòu)。但是，為做到這一點(diǎn)，需要“生成”一種盡量多的分子組成的硬晶體 – 這種晶體通常溶于水。只有在晶體里，每個(gè)分子的信號(hào)才能相互加強(qiáng)，形成可用的圖像。問(wèn)題是這些信號(hào)的形成非常困難和復(fù)雜，約有一半相關(guān)的生物物質(zhì)甚至不能生成晶體。（左圖為蛋白質(zhì)DNA 集合體）

　　TESLA X射線激光器開(kāi)創(chuàng)了嶄新的機(jī)會(huì)，以后無(wú)須額外生成晶體這一步，就可解密生物分子。X射線激光強(qiáng)到它們可以用來(lái)形成單個(gè)分子組合體的高清晰度圖像。由于閃光的延續(xù)時(shí)間不大于100飛秒，在強(qiáng)X射線損壞樣品之前，就足以能產(chǎn)生圖像。即使利用現(xiàn)代技術(shù)，研究大分子組合體也極為困難。TESLA X射線激光器開(kāi)辟了捕獲更大的像單個(gè)病毒粒子這樣的生物結(jié)構(gòu)的圖像，超短X射線閃光也使隨時(shí)瞬時(shí)觀測(cè)分子的運(yùn)動(dòng)成為可能。對(duì)這些在分子級(jí)感染進(jìn)展方面的新了解，也代表了為開(kāi)發(fā)新藥打下的實(shí)質(zhì)性的基礎(chǔ)。（右圖為結(jié)構(gòu)生物學(xué)） 

　　材料研究: 開(kāi)發(fā)新材料 

　　摩擦對(duì)制動(dòng)來(lái)說(shuō)是極為需要的，但對(duì)輪子的滾動(dòng)和馬達(dá)的平滑運(yùn)轉(zhuǎn)則不需要。為開(kāi)發(fā)和改進(jìn)材料，材料研究人員需要了解摩擦過(guò)程和原子級(jí)的磨損情況。例如，在用來(lái)降低材料磨損的潤(rùn)滑劑薄膜里，發(fā)生所謂的“卡住-滑動(dòng)摩擦”。“卡住”和“滑動(dòng)”的交替變化，可能是由輪番凝結(jié)和溶解的非常薄的膜引起的。利用X射線可詳細(xì)地對(duì)這些狀態(tài)的變化進(jìn)行檢查。但是，這些膜極其薄。另外，從技術(shù)上講，另人感興趣的材料，如金屬和陶瓷只在極小的區(qū)域是平的，這些區(qū)域是獲得圖像的地方。（左圖為原子水平的摩擦） 

　　現(xiàn)在用的X射線源不能“看見(jiàn)”這樣的小結(jié)構(gòu)，但TESLA X射線激光器可以。除此之外，這些激光器產(chǎn)生的極短脈沖可使測(cè)量不時(shí)地在很短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，這樣就好象在一部電影里一樣，不時(shí)地對(duì)“卡住-滑動(dòng)摩擦”的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。TESLA激光器產(chǎn)生的X射線脈沖，可用來(lái)研究材料的動(dòng)態(tài)狀態(tài)和各種狀態(tài)間的快速變化。這也是為未來(lái)電子學(xué)開(kāi)發(fā)納米區(qū)一定規(guī)格材料的基礎(chǔ)。

　　團(tuán)簇物理　

　　12個(gè)五角形和20個(gè)六角形：古典的足球形狀。用碳原子替代一塊塊皮子，形成“足球分子”，或“巴基球”，用科學(xué)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，形成富勒烯。分子足球完全是一種非同尋常的碳，屬于組團(tuán)類(lèi)，也就是由原子或分子組成的小塊。它太小構(gòu)不成晶體，簇團(tuán)狀態(tài)的物質(zhì)具有完全新的常常出乎人們意料之外的特性。

　　例如，碳球和碳管可作為半導(dǎo)體，是納米技術(shù)部件富有希望的后選者。（左圖為簇團(tuán)示意） 

　　在TESLA激光器產(chǎn)生的強(qiáng)射線中，簇團(tuán)可顯示出其大量的非同尋常的物質(zhì)特性。高亮度是必要的，因?yàn)樵S多簇團(tuán)可僅以高度稀釋過(guò)的氣體射流形式形成的。為利用X射線光記錄和測(cè)量少量原子或分子簇團(tuán)，物理學(xué)家們必須以來(lái)自TESLA超強(qiáng)激光脈沖的形式將簇團(tuán)進(jìn)行強(qiáng)曝光。 

　　一個(gè)國(guó)際合作組的科學(xué)家們已經(jīng)在《自然》雜志上發(fā)表了在DESY測(cè)試設(shè)備上利用自由電子激光開(kāi)展的第一個(gè)團(tuán)簇實(shí)驗(yàn)。利用惰性氣體原子的團(tuán)簇，研究人員首次用自由電子激光產(chǎn)生的強(qiáng)X射線輻射研究了在極短時(shí)間內(nèi)物質(zhì)的相互作用。（右圖為在自由電子激光器上開(kāi)展團(tuán)簇實(shí)驗(yàn)的示意圖）

等離子體物理　　

　　水是液體，冰是固體，氣是氣體，這些眾人皆知。固體內(nèi)，原子和分子多數(shù)是按有規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)排列的。在液體里，它們比較松地組合在一起。而在氣體里，它們可或多或少地自由運(yùn)動(dòng)。但是，有第四個(gè)似乎更異乎尋常的物質(zhì)態(tài)，即等離子態(tài)。等離子體由熱的電離的氣體組成。（左圖為等離子體物理圖示）該態(tài)在我們環(huán)境正常溫度下不存在，但當(dāng)溫度達(dá)到幾百度時(shí)，原子開(kāi)始電離，即電子從原子殼層中被打出來(lái)（右下圖）。然后熱的氣體變得能夠?qū)щ?，等離子體等粒子物理形成。

直線對(duì)撞機(jī)探測(cè)器　

　　在像TESLA這樣的直線對(duì)撞機(jī)里，正負(fù)電子在極高能量時(shí)發(fā)生對(duì)撞。在隧道的正中間，每個(gè)由100億個(gè)粒子組成的束團(tuán)每秒彼此對(duì)撞14000次。對(duì)撞中，正負(fù)電子互相湮滅，變成為純粹的能量，在此過(guò)程中，正像大爆炸一樣，形成新的基本粒子。借助探測(cè)器的幫助，物理學(xué)家們可以看到這些反應(yīng)。探測(cè)設(shè)備像個(gè)4層樓高的建筑物，放在8層樓高的室內(nèi)，布滿(mǎn)了高技術(shù)設(shè)備。從發(fā)生無(wú)數(shù)次的對(duì)撞中，探測(cè)器找出真正物理學(xué)家感興趣的那些少數(shù)事例。這真是猶如大海撈針。然后再對(duì)這些“事例”進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。（左圖為探測(cè)器中粒子對(duì)撞的示意） 

　　粒子對(duì)撞機(jī)探測(cè)器由各種探測(cè)裝置組成，這些探測(cè)裝置像洋蔥那樣，在粒子對(duì)撞點(diǎn)周?chē)粚右粚拥嘏帕小Ｑ笫[的內(nèi)層是徑跡探測(cè)器，它們記錄和測(cè)量帶電粒子留下的軌跡。磁場(chǎng)引起粒子軌道的彎曲，這樣它們的動(dòng)量就能確定。頂角探測(cè)器靠近束流管道，它精確地確定粒子對(duì)撞點(diǎn)（“頂角”）的徑跡和位置。周?chē)浅錆M(mǎn)氣體的徑跡室。（右圖為粒子物理探測(cè)器示意） 

　　探測(cè)器的中間層是量能器，它們確定粒子的能量和飛行方向。電磁量能器測(cè)量電子、正電子和光子的能量。強(qiáng)子量能器測(cè)量質(zhì)子、中子和其他由夸克（強(qiáng)子）組成的粒子。外層探測(cè)μ子。μ子是能夠穿透所有其他探測(cè)器外層的粒子。

深入物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)　

　　利用像TESLA這樣的正負(fù)電子直線對(duì)撞機(jī)，粒子物理學(xué)家們就可以準(zhǔn)確地探索150億年前宇宙初期發(fā)生的情況。超導(dǎo)加速節(jié)使正負(fù)電子的能量各自達(dá)到250 GeV, 這些電子在其運(yùn)行的軌道中央部分發(fā)生對(duì)撞，對(duì)撞時(shí)的能量相當(dāng)于大爆炸后10-12秒的能量。然后粒子和反粒子相互湮滅，形成一個(gè)小的純粹能量的“火球”。從這一能量，自動(dòng)產(chǎn)生各式各樣的基本粒子，包括物理學(xué)家們希望大力尋找的“黑格子”，或“超對(duì)稱(chēng)”粒子。（左圖為物質(zhì)與反物質(zhì)對(duì)撞示意） 

　　黑格子粒子– 使世界具有重量 

　　尋找尚未發(fā)現(xiàn)的黑格子粒子，理由充分。因?yàn)闆](méi)有它，就沒(méi)有質(zhì)量。根據(jù)目前人們的看法，物理學(xué)家Peter Higgs（右圖）提出的理論解釋了最初無(wú)質(zhì)量的粒子是如何獲得質(zhì)量的。根據(jù)這一理論，這個(gè)宇宙布滿(mǎn)了黑格子磁場(chǎng)，粒子與這個(gè)磁場(chǎng)相互作用越強(qiáng)，它具有的質(zhì)量越大。黑格子磁場(chǎng)的存在應(yīng)該由伴隨的黑格子粒子的存在暗示出來(lái)。 

　　尋找黑格子粒子在繼續(xù)進(jìn)行，但至今仍未找到。該粒子的質(zhì)量一定極大，超過(guò)100 GeV. 如果不是這種情況，那么在現(xiàn)有的加速器中當(dāng)然也就早已發(fā)現(xiàn)這一粒子了。另一方面，現(xiàn)在的結(jié)果和理論上的考慮，暗示黑格子粒子的質(zhì)量不可能大于300 GeV。這意味著黑格子粒子可能在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室TeV能級(jí)加速器的能區(qū)范圍內(nèi)，當(dāng)然也可能在CERN現(xiàn)在建造的LHC的能區(qū)范圍內(nèi)。 

　　發(fā)現(xiàn)黑格子粒子將引起轟動(dòng)，但為真正解釋質(zhì)量產(chǎn)生的機(jī)制，就需要準(zhǔn)確地確定粒子的特性。這就是像TESLA這樣的正負(fù)電子直線對(duì)撞機(jī)的力量所在。由于其高的“對(duì)撞率”，也就是說(shuō)，對(duì)撞粒子的數(shù)量，像這樣的對(duì)撞機(jī)就是個(gè)可驗(yàn)證的“黑格子工廠”。 

　　超對(duì)稱(chēng)理論 

　　根據(jù)目前可以接受的粒子物理理論，我們的世界是由“物質(zhì)”粒子 和“力”粒子組成的，它們按不同的方式運(yùn)轉(zhuǎn)著。為什么存在著不同呢？為對(duì)此做出解釋?zhuān)瑢?duì)稱(chēng)理論預(yù)言：每個(gè)物質(zhì)粒子都有一個(gè)像傳播力的玻色子那樣的伙伴，同樣每個(gè)傳播力的玻色子也有一個(gè)像物質(zhì)粒子那樣作用的伙伴。取消物質(zhì)和力之間的嚴(yán)格差別，將會(huì)簡(jiǎn)化對(duì)自然界的描述。粒子物理的最終目標(biāo)是對(duì)所有力做出統(tǒng)一的解釋。超對(duì)稱(chēng)理論使自然界的三個(gè)基本理論 – 電磁力論，弱力和強(qiáng)力統(tǒng)一成為一個(gè)理論。只有當(dāng)物理學(xué)家在其計(jì)算中將超對(duì)稱(chēng)粒子包括進(jìn)去時(shí)，這三個(gè)力才能在無(wú)法想象高的能量時(shí)（比現(xiàn)在的加速器所達(dá)到高10億倍）強(qiáng)度變得相同。左圖為超對(duì)稱(chēng)理論（左為標(biāo)準(zhǔn)粒子，右為超對(duì)稱(chēng)粒子）。 

　　“少既多”是粒子物理學(xué)家的格言。他們?cè)噲D簡(jiǎn)化物質(zhì)世界的理論，以便使它們涉及可能最小數(shù)量的基本粒子。然而，超對(duì)稱(chēng)似乎是個(gè)例外。超對(duì)稱(chēng)理論使基本粒子的數(shù)量增加了一倍，因?yàn)槊總€(gè)“正常的”的粒子都應(yīng)該有一個(gè)超對(duì)稱(chēng)的伙伴。使人感到驚愕的是，實(shí)際上它使得世界更易于了解。 

　　到目前為止，超對(duì)稱(chēng)粒子仍未發(fā)現(xiàn)，但許多跡象都表明它們的存在。最輕的超對(duì)稱(chēng)粒子可能在像LHC 或TESLA這樣的未來(lái)加速器中發(fā)現(xiàn)。正負(fù)電子的一大優(yōu)點(diǎn)是，物理學(xué)家們不僅能夠找到這樣的粒子，而且能夠精確地測(cè)量它們的特性。只有這樣，才能正確理解超對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)。

　　超弦　

　　在物理學(xué)家們?cè)噲D了解自然界所有力中人們最熟悉的引力時(shí)，出現(xiàn)了像超弦和額外維這樣的新奇概念。由于愛(ài)因斯坦，可以在宇宙的規(guī)模上對(duì)引力進(jìn)行非常準(zhǔn)確的描述，但它根本不適用于微觀世界的現(xiàn)有理論。問(wèn)題的答案可能在于超弦理論。它統(tǒng)一了對(duì)所有粒子和自然界包括引力在內(nèi)的所有力的描述。超弦理論預(yù)言了一個(gè)與引力特性匹配的粒子，即尚未發(fā)現(xiàn)引起重力的交換粒子。 

　　根據(jù)超弦理論，所有被粒子物理界通常認(rèn)為是單個(gè)點(diǎn)的基本粒子，失去了作為物質(zhì)基本組成部分的地位。然后只有一個(gè)基本組成部分超弦了。像一根弦震動(dòng)形成的音調(diào)一樣（右圖），各種粒子，如電子，夸克，光子，等等，從一個(gè)基本超弦的各種震蕩狀態(tài)產(chǎn)生（左圖）。　

　　超弦不能在我們的四維中（空間三維和時(shí)間維）存在，它們需要10維，或者甚至11維。但這些額維怎么就不能被現(xiàn)在的測(cè)量裝置探測(cè)到呢？唯一的解釋是它們一定縮攏了，變得極小。

超弦理論自動(dòng)預(yù)言世界是超對(duì)稱(chēng)的。這是引起人們極大激動(dòng)的另一個(gè)原因。由于激動(dòng)，粒子物理學(xué)家們正在等待發(fā)現(xiàn)超對(duì)稱(chēng)粒子。像TESLA這樣的正負(fù)電子直線對(duì)撞機(jī)可產(chǎn)生和精確測(cè)量超對(duì)稱(chēng)粒子，從而為實(shí)現(xiàn)包羅萬(wàn)象的統(tǒng)一所有基本力和粒子的理論鋪平道路。（右圖為額外維）

　　宇宙中的粒子：大爆炸和暗物質(zhì)　

　　150億年前，隨著一場(chǎng)巨大的爆炸，宇宙誕生了。一個(gè)微小極熱和充滿(mǎn)能量的時(shí)空區(qū)域在10-12秒的時(shí)間內(nèi)發(fā)生爆炸，從壓縮的能量中產(chǎn)生物質(zhì)和反物質(zhì)，原子，分子，老鼠和人類(lèi)。 

　　將來(lái)有了直線對(duì)撞機(jī)，物理學(xué)家們可以跟蹤大爆炸后10-12秒內(nèi)發(fā)生的情況。這是因?yàn)楫?dāng)正負(fù)電子對(duì)撞時(shí)，這些粒子相互湮滅，形成純粹的能量。能量濃縮像大爆炸開(kāi)始后10-12秒時(shí)那樣強(qiáng)。正像大爆炸本身那樣，該能量自動(dòng)生成各種基本粒子。因此，物理學(xué)家們可以模擬宇宙開(kāi)始時(shí)的情景，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其全面加以研究。 

　　我們看到的僅是宇宙中實(shí)際存在的物質(zhì)的一小部分，其余的是由所謂的暗物質(zhì)組成的。它看不見(jiàn)，其組成部分與組成恒星，行星和人類(lèi)的物質(zhì)截然不同。該暗物質(zhì)一定存在，因?yàn)槿绻淮嬖冢敲礋o(wú)數(shù)次對(duì)銀河系和天體運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)結(jié)果就不能解釋。宇宙的前途也依賴(lài)這一暗物質(zhì)，也就是說(shuō)，宇宙是否會(huì)無(wú)限制地膨脹下去，或某時(shí)被引力停止和向本身塌陷下去。引力的強(qiáng)度取決于宇宙總的質(zhì)量，這方面，我們?nèi)砸粺o(wú)所知。人們不知到暗物質(zhì)是由什么組成的，但超對(duì)稱(chēng)粒子可能會(huì)提供答案。利用像TESLA這樣的正負(fù)電子直線對(duì)撞機(jī)，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)這些粒子，并且被人們所了解。（左圖為通往宇宙起源的路程）

　　TESLA和LHC：一塊硬幣的兩個(gè)側(cè)面　

　　CERN正在建造一臺(tái)大型環(huán)型質(zhì)子加速器，即大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC），應(yīng)于2007年完工。LHC和正負(fù)電子直線對(duì)撞機(jī)TESLA在能力上相互補(bǔ)充。LHC加速質(zhì)子，這些質(zhì)子因具有高的質(zhì)量和獲得大量的能量。當(dāng)它們對(duì)撞時(shí)，所產(chǎn)生的能量本身又產(chǎn)生大量的新粒子。因此，LHC真的是一臺(tái)做出發(fā)現(xiàn)的加速器。缺點(diǎn)是因質(zhì)子由幾個(gè)夸克組成，當(dāng)質(zhì)子對(duì)撞時(shí)，它們大量的基本組成部分飛向所有各個(gè)方向。這為準(zhǔn)確測(cè)量新形成的粒子造成困難。

　　在直線對(duì)撞機(jī)中，點(diǎn)狀粒子電子與其相同的點(diǎn)狀反粒子正電子發(fā)生對(duì)撞。兩種類(lèi)型的粒子相互湮滅，變成純粹的能量，從純粹的能量中可形成新的粒子。因準(zhǔn)確地知道可產(chǎn)生新粒子的起始條件，對(duì)撞粒子的碎片不存在，其結(jié)果比質(zhì)子對(duì)撞的結(jié)果更易于解釋。因此，直線對(duì)撞機(jī)是一臺(tái)精確的機(jī)器，用它可非常準(zhǔn)確地測(cè)量新粒子的特性，包括如質(zhì)量測(cè)量，壽命測(cè)量，自旋和量子數(shù)的測(cè)量。還因?yàn)楦摺皩?duì)撞率”，直線對(duì)撞機(jī)能夠大量產(chǎn)生新的粒子，而且記錄的數(shù)據(jù)越多，結(jié)果越會(huì)準(zhǔn)確。 

　　LHC和TESLA彼此補(bǔ)充。它們具有不同的強(qiáng)項(xiàng)，探索同樣問(wèn)題的不同方面。（左圖為粒子軌跡）

　　TESLA粒子物理：物質(zhì)的起源　　　　　　　　　

　　150億年前，在巨大的爆炸中（又稱(chēng)大爆炸）形成了宇宙。一個(gè)極熱充滿(mǎn)能量的微小區(qū)域在不到10-12秒的時(shí)間內(nèi)爆炸。這一濃縮的能量產(chǎn)生物質(zhì)和反物質(zhì)，最后是原子，分子和生命本身。 

　　利用TESLA，粒子物理學(xué)家們可更準(zhǔn)確地跟蹤大爆炸剛發(fā)生后發(fā)生的情況。新的超導(dǎo)加速節(jié)，即所謂的共振器將正負(fù)電子的能量各加速到250 GeV. 粒子在33公里長(zhǎng)的TESLA環(huán)的中部發(fā)生對(duì)撞。事實(shí)上, 這些能量與宇宙存在的10-12秒時(shí)間內(nèi)的能量相同。粒子與反粒子相互湮滅，產(chǎn)生一個(gè)小的濃縮能量的“火球”。像大爆炸的情況那樣，從這一能量中自動(dòng)產(chǎn)生大量的各式各樣的基本粒子。其中有些粒子，特別是“黑格子”和“超對(duì)稱(chēng)”粒子科學(xué)家們正在尋找。（左圖為探測(cè)器的粒子對(duì)撞）

TESLA的創(chuàng)新：超導(dǎo)技術(shù)　

　　金屬鈮冷卻到-2640 C（這種溫度只在外部空間才有）后，便失去所有電阻，導(dǎo)電時(shí)不損耗任何能量。這種特性稱(chēng)為“超導(dǎo)”。由于超導(dǎo)，TESLA加速器中的粒子可被加速到所需要的對(duì)撞速度。TESLA工程的部分項(xiàng)目涉及開(kāi)發(fā)超導(dǎo)鈮加速節(jié)，即所謂的共振器，使其達(dá)到必需的能量。與TESLA有關(guān)的工作，經(jīng)與工業(yè)部門(mén)的合作，在高頻超導(dǎo)技術(shù)方面取得了重大進(jìn)展。在地下TESLA隧道里，沿著整個(gè)加速器，通過(guò)將加速節(jié)冷卻到-2710C使其成為超導(dǎo)加速節(jié)。（左圖為在超凈室中加工TESLA共振器） 

　　超導(dǎo)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：共振器壁上的功率消耗可以忽略不計(jì)，幾乎所有的功率都可傳送給粒子，這就大大降低了能量損耗。另外，這樣產(chǎn)生的束流具有極高的質(zhì)量，因?yàn)闆](méi)有電阻的共振器可以做的比通常因產(chǎn)生少量干擾磁場(chǎng)所做的大。 

　　加工TESLA的超導(dǎo)鈮共振器是時(shí)，甚至幾個(gè)極小的灰塵顆粒都可造成大的破壞。如果表面被灰塵弄臟，這些小點(diǎn)使得周?chē)臻g里的電場(chǎng)集中在表面這些點(diǎn)上。這樣，電子會(huì)從金屬中逃離出來(lái)，只在其它地方與其再次發(fā)生對(duì)撞。這引起熱量的產(chǎn)生，導(dǎo)致喪失超導(dǎo)。為避免此種情況發(fā)生，在超凈室內(nèi)加工和安裝加速器部件。超凈室比正常城市空氣發(fā)現(xiàn)的灰塵低10萬(wàn)倍。

超導(dǎo)的優(yōu)越性 

　　X射線激光器的超導(dǎo)　

　　TESLA超導(dǎo)加速器技術(shù)為獨(dú)特的光源，即產(chǎn)生帶激光特性的X射線輻射的自由電子激光器創(chuàng)造了理想的條件。當(dāng)從直線加速器來(lái)的高能電子通過(guò)一個(gè)特殊的磁鐵結(jié)構(gòu)時(shí)，產(chǎn)生激光束流。TESLA加速節(jié)為此目的，即很小束流截面和高束流功率，提供所需高質(zhì)量的電子束流。采用超導(dǎo)直線加速器作為X射線激光器的驅(qū)動(dòng)器，在世界上獨(dú)一無(wú)二。 

　　直線對(duì)撞機(jī)的超導(dǎo) 

　　TESLA區(qū)別其它直線加速器設(shè)計(jì)的是它采用了超導(dǎo)技術(shù)。TESLA加速節(jié)使形成最佳質(zhì)量，具有很小束流截面和高束流功率的粒子束流成為可能。這意味著被加速的粒子的高對(duì)撞率可以實(shí)現(xiàn)，這是發(fā)現(xiàn)新粒子的理想前提條件。（左圖為超導(dǎo)共振器） 

　　除TESLA外，美國(guó)SLAC計(jì)劃建造下一個(gè)直線對(duì)撞機(jī)（NLC），日本KEK計(jì)劃建造日本的直線對(duì)撞機(jī)（JLC），CERN正在從事自己緊湊型的直線對(duì)撞機(jī)（CLIC）的設(shè)計(jì)。CLIC在約3TEV高能量時(shí)運(yùn)行，但現(xiàn)在不會(huì)馬上建造，要再等10年，直到TESLA，NLC和JLC的研制工作完成以后在建。NLC和JLC以正常導(dǎo)電的銅加速節(jié)為基礎(chǔ)，而TESLA則采用超導(dǎo)的優(yōu)越性。

　　1992年以來(lái)，來(lái)自全世界的科學(xué)家在DESY的測(cè)試設(shè)備上為T(mén)ESLA的兩個(gè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)未來(lái)的技術(shù)。共有9個(gè)國(guó)家41個(gè)研究所參加了預(yù)制研究工作，直到2001年3月發(fā)表TESLA的設(shè)計(jì)報(bào)告。參加合作的國(guó)家和單位繼續(xù)增加。另外，自2002年1月開(kāi)始，DESY在ZEUTHEN的分部利用光陰極注入器測(cè)試設(shè)備（PITZ）運(yùn)行一臺(tái)小的直線加速器，開(kāi)發(fā)和優(yōu)化激光驅(qū)動(dòng)高頻電子源，因?yàn)門(mén)ESLA的兩個(gè)項(xiàng)目需要這些高頻電子源。 

　　在漢堡的TESLA測(cè)試設(shè)備由一個(gè)電子源，一個(gè)超導(dǎo)加速節(jié)和一個(gè)磁鐵結(jié)構(gòu)組成。在磁鐵結(jié)構(gòu)中，被加速的電子被感應(yīng)產(chǎn)生X射線激光的閃光。在這一測(cè)試設(shè)備上取得的成果是通往TESLA兩個(gè)項(xiàng)目的里程碑。（左圖為 TESLA 測(cè)試設(shè)備） 

　　·　與工業(yè)部門(mén)合作，已開(kāi)發(fā)出超導(dǎo)加速器部件。這些部件的加速梯度達(dá)到25MeV/米，滿(mǎn)足了500 GeV TESLA直線對(duì)撞機(jī)例行運(yùn)行所需的梯度。另外。每米的造價(jià)可降低4倍?！?/P>

　　·　 除此之外，在幾個(gè)9單元的TESLA共振器里，加速場(chǎng)達(dá)到 35 MV/m。這一梯度使加速器在最高達(dá)800 GeV運(yùn)行成為可能。 

　　·　 通過(guò)采用新的方法，為T(mén)ESLA X射線激光器首次產(chǎn)生預(yù)期的短波長(zhǎng)紫外激光束流，在紫外線區(qū)域，也可把光最大放大到1000萬(wàn)。這意味著在超紫外線范圍內(nèi)激光的峰值亮度相當(dāng)于現(xiàn)有最佳光源的1000倍?！?/P>

　　·　 2002年12月，一個(gè)國(guó)際組的科學(xué)家在自然科學(xué)雜志上發(fā)表了利用測(cè)試設(shè)備上的自由電子激光所做的首批實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。科學(xué)家們利用小的惰性氣體簇團(tuán)首次研究物質(zhì)與具有來(lái)自自由電子激光強(qiáng)X射線輻射在很短的時(shí)間范圍內(nèi)的相互作用。　

　　2003年，100米長(zhǎng)的測(cè)試設(shè)備將延長(zhǎng)到260米。完工后，將有5個(gè)新的實(shí)驗(yàn)站可用于研究，電子激光在軟X射線范圍內(nèi)。同時(shí)，測(cè)試設(shè)備將用于超導(dǎo)直線對(duì)撞機(jī)的開(kāi)發(fā)工作。 

　　安全與環(huán)境 

　　TESLA加速器既不產(chǎn)生噪音也不產(chǎn)生有害氣體，而且不能爆炸。但在運(yùn)行中，的確產(chǎn)生輻射。為此，任何人都不準(zhǔn)靠近，也就是說(shuō)，在運(yùn)行中不準(zhǔn)進(jìn)入隧道。因TESLA的隧道位于很深的地下，到達(dá)地面的輻射量微不足道。地面的輻射量低于我們環(huán)境中總是存在的自然背景輻射的1/10，隧道之上地面大部分的輻射量 則不到1/100。這一數(shù)字以DESY的科學(xué)家們的計(jì)算和獲得的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，其他研究單位所單獨(dú)做的實(shí)驗(yàn)對(duì)此予以了證實(shí)。 

　　如果運(yùn)行中發(fā)生問(wèn)題，將立即中斷加速粒子。當(dāng)加速器運(yùn)行時(shí)，正好在粒子對(duì)撞以后，此時(shí)隧道中仍然存在的正負(fù)電子將偏轉(zhuǎn)到地下深處的一個(gè)束流吸收器里。該束流吸收器是個(gè)大的鈦罐，里面裝有11立方米的水，放在一個(gè)孤立的周?chē)呛竦匿摻钏鄩Φ氖覂?nèi)。這使粒子減速并俘獲粒子。即使運(yùn)行中出現(xiàn)問(wèn)題，輻射也進(jìn)入不到環(huán)境里。因此，TESLA建在居民區(qū)地下很安全，對(duì)環(huán)境不構(gòu)成威脅。DESY在加速器靠近居民區(qū)的運(yùn)行方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。 

自由電子激光 

　　在真空紫外和軟X射線區(qū)波長(zhǎng)短到6納米的“自由電子激光”正在DESY 的TESLA興建。它以“自放大自動(dòng)發(fā)射”方式運(yùn)行，產(chǎn)生亞皮秒輻射脈沖，峰值功率達(dá)千兆瓦。目前，已經(jīng)觀測(cè)到了激光，波長(zhǎng)為80納米。這是利用自由電子激光向來(lái)獲得的最短的波長(zhǎng)。利用這種獨(dú)特的輻射，在波長(zhǎng)約100納米時(shí)開(kāi)展了首批實(shí)驗(yàn)。2001年9月，實(shí)現(xiàn)了該波長(zhǎng)自由電子激光放大飽和。 

　　另外，提出了在TESLA工程中建立研究波長(zhǎng)在0.1納米以下的X射線自由電子激光室。 

　　因脈沖短峰值亮度高，這些自由電子激光將為基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究開(kāi)辟新的途徑，如使科學(xué)家深入了解到目前為止仍屬未知的物質(zhì)特性?！?/P>

　　左圖為自由電子激光用戶(hù)裝置實(shí)驗(yàn)廳（ 28c樓）和TESLA測(cè)試設(shè)備第二階段延長(zhǎng)部分的隧道（地面由草覆蓋）。右上角的廳內(nèi)放著TESLA測(cè)試設(shè)備第一階段的自由電子激光的鳥(niǎo)瞰圖。