在廣東省深圳市的光明科學(xué)城，中國科學(xué)家們正在建設(shè)全球最尖端的大科學(xué)裝置——深圳中能高重復(fù)頻率X射線自由電子激光大科學(xué)裝置（Shenzhen Superconducting Soft-X-ray Free Electron Laser，以下簡(jiǎn)稱“自由電子激光裝置”）。

建成后的自由電子激光裝置，其建筑外觀猶如竹筍拔節(jié)，又如寶劍出匣。這條長達(dá)1.7公里的“科創(chuàng)光劍”可不是科幻電影里的星際通道，而是中國自主研發(fā)的探秘原子和分子動(dòng)態(tài)變化的“超級(jí)高速攝像機(jī)”。它具有超亮、超快、超高空間分辨、高重復(fù)頻率等特點(diǎn)。

自由電子激光裝置建成后的效果圖

（圖片來源：上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司）

自由電子激光裝置厲害在哪兒？

它究竟有多亮？自由電子激光裝置的峰值亮度可以達(dá)到太陽光100億倍的100億倍。如此高的亮度，使得即使極少量的分子或原子也能被高效探測(cè)。

它究竟有多快？該裝置能提供飛秒級(jí)的時(shí)間分辨率，如同具備飛秒級(jí)快門的超高速攝像機(jī)，可以記錄飛秒量級(jí)時(shí)間內(nèi)分子發(fā)生的變化，可以精確而深入地研究自然界的許多超快動(dòng)力學(xué)過程，實(shí)現(xiàn)為分子“拍電影”。如此快的高強(qiáng)度 X 射線激光脈沖，使得可以在生物大分子被輻射損傷破壞之前得到其結(jié)構(gòu)信息，實(shí)現(xiàn)“損傷前探測(cè)”。飛秒（femtosecond）是標(biāo)衡時(shí)間長短的一種計(jì)量單位。1飛秒是1秒的一千萬億分之一。光（每秒飛行30萬千米）在 1 飛秒內(nèi)也只能向前傳播約 0.3 微米（μm），這個(gè)距離甚至不到一根頭發(fā)絲的百分之一。

它的空間分辨率究竟多高？自由電子激光裝置的空間分辨率可達(dá)納米量級(jí)，如同一臺(tái)能夠看清楚納米世界的超級(jí)顯微鏡，可以讓科學(xué)家更清楚地了解微觀世界。納米是長度計(jì)量單位，1納米（nm）等于10億分之一米。1納米有多小呢？一根頭發(fā)的直徑大約是0.05毫米，把它徑向平均剖成5萬根，每根的厚度大約就是1納米。病毒的大小約是幾十納米，DNA分子直徑約為2納米?；瘜W(xué)反應(yīng)中不可再分的基本微粒，也就是原子的直徑是0.1納米。

它的重復(fù)頻率究竟多高？該裝置的重復(fù)頻率可達(dá)1 百萬赫茲（MHz），可以理解為1 秒內(nèi)產(chǎn)生1000000次閃光，而家用電燈泡1 秒內(nèi)只有50次閃光。高重復(fù)頻率意味著單位時(shí)間內(nèi)可產(chǎn)生更多的X射線脈沖，從而顯著提高平均光子通量，大幅縮短實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)效率，滿足多用戶同時(shí)使用。

綜上，自由電子激光裝置所具有的超高亮度、超高空間分辨、超快時(shí)間分辨、以及高重復(fù)頻率等特點(diǎn)，使其成為探索微觀世界和超快動(dòng)力學(xué)過程的研究利器。

自由電子激光裝置的建設(shè)為什么如此重要？

X 射線自由電子激光(X-ray Free-electron Laser，簡(jiǎn)稱 XFEL)是一種利用相對(duì)論電子束團(tuán)為工作媒介、在周期磁場(chǎng)中產(chǎn)生高亮度、超短X射線脈沖的新型強(qiáng)相干光源。XFEL是一種超快X射線光源，具有相干性好、峰值亮度高、輻射脈沖短、波長可調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)。

深圳自由電子激光裝置的出光波長范圍為1-30 nm，覆蓋極紫外到軟X射線波段，平均功率可達(dá)到百瓦甚至千瓦。其建設(shè)填補(bǔ)了我國高重復(fù)頻率自由電子激光裝置在該波段的布局缺失。

此外，該裝置的建設(shè)有助于在我國建立起由南到北的先進(jìn)自由電子激光裝置群，形成地域上遙相呼應(yīng)，能區(qū)上相互補(bǔ)充的完美格局，可為物理、化學(xué)、生物、醫(yī)藥、材料、能源、環(huán)境等領(lǐng)域提供最先進(jìn)的大科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

為什么自由電子激光裝置需要設(shè)計(jì)為1.7公里長呢？

該裝置的長度為1.7公里，主要有以下三個(gè)原因：

第一，其電子槍及超導(dǎo)直線加速器段長約750米。因?yàn)樗枰弥本€加速器來加速電子，讓它們達(dá)到高能量。直線加速器越長，直線加速器中的加速結(jié)構(gòu)（如射頻腔）越多，則電子獲得的能量越高。它最終能將電子加速至約2.5 GeV（十億電子伏特）。

第二，其束流分配段和波蕩器段的長度約為600米。電子束經(jīng)束流分配段進(jìn)入波蕩器后，在周期性磁場(chǎng)作用下發(fā)生橫向振蕩，產(chǎn)生輻射。波蕩器長度必須足夠長，才能確保電子束產(chǎn)生能量和密度調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)自由電子激光產(chǎn)生指數(shù)增益，直到飽和的過程。

第三，其線站段的長度約為350米。在光束線區(qū)域需長距離布控光學(xué)系統(tǒng)，以滿足高能X射線自由電子激光的傳輸、分配、診斷及操縱的需求。末端部署多個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)終端以確保不同科學(xué)用戶開展原創(chuàng)性的科學(xué)研究。

自由電子激光裝置的關(guān)鍵部件及工作原理

（1）超導(dǎo)直線加速器：將電子束團(tuán)加速到高能量狀態(tài)

在電子槍中，紫外驅(qū)動(dòng)激光激發(fā)碲化銫（Cs₂Te）光陰極（一種半導(dǎo)體光電發(fā)射材料）表面，產(chǎn)生1 MHz重復(fù)頻率的高亮度電子束團(tuán)。電子槍中產(chǎn)生的高品質(zhì)電子束團(tuán)在超導(dǎo)直線加速器中被加速至接近光速，超導(dǎo)加速器采用連續(xù)波工作模式，將電子束團(tuán)能量由90 MeV（兆電子伏特）提高到2.5 GeV。

超導(dǎo)直線加速器示意圖

（圖片來源：深圳先進(jìn)光源研究院）

（2）波蕩器：高能電子束團(tuán)在此輻射出高品質(zhì)自由電子激光

波蕩器由一系列N極和S極交替排列的磁鐵陣列構(gòu)成，是一種能夠產(chǎn)生周期性空間分布磁場(chǎng)的裝置。高能電子束團(tuán)經(jīng)過波蕩器時(shí)，電子在洛倫茲力作用下做周期性擺動(dòng)，從而產(chǎn)生自發(fā)輻射。以自放大自發(fā)輻射（SASE）運(yùn)行模式為例，電子束團(tuán)在波蕩器中做扭擺運(yùn)動(dòng)，在其前進(jìn)方向上自發(fā)地發(fā)射電磁輻射，輻射場(chǎng)與電子束相互作用，使電子束產(chǎn)生能量調(diào)制，并進(jìn)一步使電子束形成以輻射波長為周期的密度調(diào)制（也稱微群聚），電子束團(tuán)內(nèi)部的微群聚現(xiàn)象能夠加強(qiáng)輻射場(chǎng)的產(chǎn)生，輻射場(chǎng)的加強(qiáng)進(jìn)一步促進(jìn)微群聚形成，進(jìn)而形成正反饋，使輻射場(chǎng)能量得到指數(shù)增長，最終產(chǎn)生高品質(zhì)自由電子激光脈沖。通過合理選擇電子束和波蕩器的參數(shù)，可在不同波長實(shí)現(xiàn)共振，實(shí)現(xiàn)輻射波長連續(xù)可調(diào)。

波蕩器示意圖

（圖片來源：深圳先進(jìn)光源研究院）

?????（3）線站：線站是光束線和實(shí)驗(yàn)站的合稱。

光束線是連接自由電子激光光源和后端科學(xué)實(shí)驗(yàn)站的橋梁。它的作用是對(duì)光源發(fā)出的自由電子激光脈沖進(jìn)行聚集、分束、衰減、準(zhǔn)直、單色化、以及診斷等操控，并高效地傳輸至實(shí)驗(yàn)站。實(shí)驗(yàn)站作為該裝置的終端，是科學(xué)家們開展信息技術(shù)、量子材料、能源催化、生物醫(yī)藥、星際科學(xué)、原子分子科學(xué)等領(lǐng)域研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

線站示意圖

（圖片來源：深圳先進(jìn)光源研究院）

自由電子激光裝置的前沿應(yīng)用及展望

自由電子激光裝置實(shí)驗(yàn)站以面向國家重大需求、聚焦科學(xué)前沿和引領(lǐng)地區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展為建設(shè)宗旨，重點(diǎn)探究信息技術(shù)、量子材料、能源催化、生物醫(yī)藥、星際科學(xué)、原子分子科學(xué)等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和科學(xué)難題。

在信息技術(shù)領(lǐng)域，基于該裝置開展信息材料制備、檢測(cè)、標(biāo)定、服役評(píng)估等工作，攻關(guān)信息材料相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，可為我國信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)的自主可控發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。

在量子材料領(lǐng)域，依托該裝置，可實(shí)現(xiàn)量子材料電子態(tài)和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)的直接測(cè)量，推動(dòng)無能量耗散電子器件、自旋電子學(xué)信息傳輸和存儲(chǔ)器件的研發(fā)。

在能源催化領(lǐng)域，基于該裝置開展高靈敏度元素分析、中間產(chǎn)物原位探測(cè)、催化反應(yīng)中反應(yīng)物到產(chǎn)物、催化活性中心結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演變，可多角度、全方位開展能源領(lǐng)域催化材料在實(shí)際工況條件下的原位動(dòng)態(tài)研究，發(fā)現(xiàn)提升催化效率的關(guān)鍵因素，發(fā)展能源相關(guān)的高效催化劑，推動(dòng)碳資源高效利用以及新型清潔能源開發(fā)。

在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，依托該裝置，開展蛋白質(zhì)等復(fù)雜生物分子在重大疾病發(fā)生和治療過程中的組成和結(jié)構(gòu)變化研究，可為基礎(chǔ)生物學(xué)過程研究、病理機(jī)制研究和調(diào)控、重大疾病診斷標(biāo)志物檢測(cè)、靶向藥物開發(fā)等提供前沿技術(shù)支撐。

在星際科學(xué)領(lǐng)域，依托該裝置，模擬星際分子演化和生命起源的過程，進(jìn)而探索星際分子光化學(xué)、生命分子光合成、星際分子光譜和光化學(xué)過程，可研究星云和行星演化與生命起源相關(guān)過程。

在原子分子科學(xué)領(lǐng)域，依托該裝置，開展超高精密光譜研究，實(shí)現(xiàn)原子、分子的高效激發(fā)，可顯著提高原子或分子精密光譜的測(cè)量精度，為量子科技的發(fā)展以及化學(xué)科學(xué)前沿提供新思路和新機(jī)遇。

結(jié)語

該裝置所產(chǎn)生的X射線激光脈沖具有極高峰值亮度、高平均亮度、超短和高相干等特性，將顯著提升科學(xué)研究的時(shí)間分辨率和空間分辨率，能夠促進(jìn)對(duì)微觀世界的研究能力，達(dá)成從拍“分子照片”到拍“超高清分子電影”的突破。

該裝置可為科學(xué)家和企業(yè)用戶提供一種具有超高時(shí)間分辨、空間分辨和能量分辨的新方法、新技術(shù)，將集聚世界前沿和原創(chuàng)性科學(xué)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)研發(fā)，促進(jìn)我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展和關(guān)鍵儀器設(shè)備國產(chǎn)化、突破我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)瓶頸、構(gòu)建具有國際競(jìng)爭(zhēng)力的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)集群。從基礎(chǔ)科學(xué)研究到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，該裝置將推動(dòng)我國在半導(dǎo)體、綠色能源、功能新材料、生物醫(yī)藥與精密測(cè)量等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，助力深圳發(fā)展成為世界頂尖科技重鎮(zhèn)。同時(shí)，作為重要的科普教育基地，該裝置將成為展示我國科技實(shí)力、提高全民族科學(xué)素質(zhì)和民族自信的重要宣傳窗口。