5月14日下午，一個(gè)激動(dòng)人心的消息，從中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院傳出：我國(guó)首臺(tái)X射線自由電子激光用戶裝置——上海軟X射線自由電子激光裝置（簡(jiǎn)稱SXFEL）調(diào)試工作取得重大突破，在2.0納米波長(zhǎng)上實(shí)現(xiàn)了自由電子激光放大出光，從而實(shí)現(xiàn)了“水窗”波段全覆蓋。這一進(jìn)展表明我國(guó)在軟X射線自由電子激光研制方面已步入國(guó)際先進(jìn)行列。

　　上海軟X射線自由電子激光裝置外觀

　　總投資10億的基礎(chǔ)科學(xué)前沿研究之利器，也是張江光子研究“四柱”之一

　　作為上海浦東張江光子科學(xué)設(shè)施家族中的一名重要成員，SXFEL項(xiàng)目分兩個(gè)階段建設(shè)，總投資約10億元，與上海同步輻射光源、硬X射線自由電子激光裝置和超強(qiáng)超短激光裝置等一起，構(gòu)建出具有全球影響力的光子科學(xué)研究中心。

　　“這四個(gè)裝置好比撐起光子科學(xué)研究中心這張大桌子的四條腿，缺一不可，將為我國(guó)物理、化學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域提供前沿研究的利器�！鄙虾９庠纯茖W(xué)中心副主任劉波告訴大江東。

　　目前，全球建成的X射線自由電子激光裝置僅有8臺(tái)，其它7臺(tái)分別位于德國(guó)（兩臺(tái)）、美國(guó)、日本、韓國(guó)、意大利和瑞士。其中軟X射線自由電子激光裝置世界上僅有三臺(tái)。

　　“一臺(tái)在德國(guó)，一臺(tái)在意大利，而第三臺(tái)就在我們上海浦東張江�！�劉波所在的中科院高等研究院SXFEL團(tuán)隊(duì)，在今年3月底基本完成軟X射線自由電子激光裝置直線加速器的調(diào)試，隨后開始了緊張的調(diào)光。5.6納米、3.5納米、2.4納米……目標(biāo)在一步步逼近SXFEL設(shè)計(jì)的最短目標(biāo)波長(zhǎng)——2.0納米。終于，在2021年5月14日凌晨1時(shí)，這個(gè)100多人的團(tuán)隊(duì)，看到了那束最快最亮的光——2.0納米自由電子激光！整個(gè)團(tuán)隊(duì)沸騰了！當(dāng)天下午的新聞發(fā)布會(huì)上，雖然帶著連月奮戰(zhàn)積攢下的疲憊，劉波依然難掩那份興奮喜悅之情。

　　上海軟X射線自由電子激光裝置內(nèi)部的直線加速器隧道

　　它能拍攝“分子電影”，科學(xué)家興奮：“終于能為活細(xì)胞拍遺像了！”

　　同樣興奮的，還有上�？萍即髮W(xué)的江懷東。這位從事物理學(xué)研究的教授說自己是這束光的最先受益者，因?yàn)樗麄兊目蒲泄ぷ骷毙鑃XFEL這把利器�！昂湍�這么說吧，利用SXFEL發(fā)出的2.0納米激光，我們終于能夠給活細(xì)胞拍遺像了！”

　　此話怎講？江懷東說，SXFEL放出的光最大的特點(diǎn)是又快又亮，在細(xì)胞還沒有死去前準(zhǔn)確、清晰地捕捉最后的畫面，這是其他光源做不到的�！八�以，SXFEL能夠探測(cè)超小結(jié)構(gòu)，幫助科研人員獲取物質(zhì)的原子分子結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)圖，從拍分子照片到實(shí)現(xiàn)拍分子電影�！�

　　而所謂“水窗”波段，是指波長(zhǎng)處于2.3納米到4.4納米之間的軟X射線，在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)，水對(duì)X光是透明的，但其他構(gòu)成生命的重要元素碳、氧等，仍會(huì)與X射線相互作用，因而水窗波段的X射線可用于對(duì)活體生物細(xì)胞進(jìn)行顯微成像，具有極其重要的科學(xué)應(yīng)用前景。在水窗波段，自由電子激光可提供比同步輻射高9個(gè)量級(jí)以上的峰值亮度，且同時(shí)具有橫向和縱向相干性，能夠?yàn)槲锢�、生物、化學(xué)等學(xué)科提供革命性的研究工具。

　　波蕩器大廳

　　“鸚鵡螺”多了個(gè)更快更亮的小兄弟，國(guó)之重器集結(jié)，上海張江再站前沿

　　到過浦東新區(qū)張衡路、看過上海光源的人們，形象地將這座設(shè)計(jì)感十足的銀色建筑，昵稱“鸚鵡螺”。從我國(guó)首臺(tái)國(guó)產(chǎn)單色器的誕生到今天放出“最快最亮”光的軟X射線自由電子激光裝置，數(shù)年間，“鸚鵡螺”及其周邊區(qū)域已成為國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施布局的高地。

　　在劉波的帶領(lǐng)下，穿過一條雜草帶，東妹來到位于上海光源主體背后一座像倉(cāng)庫(kù)一樣的小白樓，走進(jìn)一條“時(shí)光”隧道。

　　玄機(jī)就暗藏在這條500多米長(zhǎng)的“放光”裝置里，經(jīng)過近7年的努力，軟X射線自由電子激光用戶裝置終于綻放出最耀眼、最快的光芒。

　　劉波介紹，軟X射線自由電子激光用戶裝置的前身是X射線自由電子激光試驗(yàn)裝置，由一臺(tái)8億4千萬電子伏特的高性能電子直線加速器和一臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)多種先進(jìn)運(yùn)行模式的自由電子激光放大器組成。“2014年我們破土動(dòng)工，2016年4月基本建設(shè)完成，后面持續(xù)的三年時(shí)間主要用于克服各類問題、提升裝置穩(wěn)定性、優(yōu)化調(diào)試方法等，到2020年年初第一次達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。”

　　以X射線自由電子激光試驗(yàn)裝置為基礎(chǔ)，中國(guó)首臺(tái)X射線波段自由電子激光用戶裝置升級(jí)完成后，將為開展能源、材料、生物等領(lǐng)域科學(xué)前沿問題的探索提供強(qiáng)有力的工具；同時(shí)，也為中國(guó)繼續(xù)開展自由電子激光新原理的探索和驗(yàn)證、關(guān)鍵技術(shù)的研究提供了不可替代的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

　　“預(yù)計(jì)今年下半年，用戶實(shí)驗(yàn)站可以開始做首批實(shí)驗(yàn)了�！眲⒉ū硎荆�目前主要的用戶是國(guó)內(nèi)各大高校和研究院所，未來還將向其他國(guó)家的科研機(jī)構(gòu)開放。

　　軟X射線自由電子激光試驗(yàn)裝置是上海在國(guó)家部委支持下建成和在建的14個(gè)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一，也是位于張江科學(xué)城核心地帶的8個(gè)光子科學(xué)設(shè)施之一。這些光子設(shè)施，包括已建成的上海同步輻射光源、蛋白質(zhì)科學(xué)研究（上海）設(shè)施、軟X射線自由電子激光試驗(yàn)裝置和超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置，將于今明兩年建成的軟X射線自由電子激光用戶裝置、活細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能成像等線站工程、上海光源線站工程暨光源二期3個(gè)設(shè)施，以及預(yù)計(jì)2025年建成的硬 X 射線自由電子激光裝置等。這些項(xiàng)目建成后，張江科學(xué)城將形成全球規(guī)模最大、種類最全、綜合能力最強(qiáng)的光子大科學(xué)設(shè)施集群。

　　誠(chéng)如劉波所言，上海張江，不僅為中國(guó)的基礎(chǔ)科研助跑起跳積蓄能量、支撐保障，更敞開懷抱，向全世界的科學(xué)家提供科研平臺(tái)。

　　新聞多一點(diǎn)：X 射線自由電子激光器究竟是啥利器？

　　光，是人類看世界的重要媒介。最初，人們透過陽光看到五彩繽紛世界，望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的發(fā)明，將人類看到的世界拓展到了廣袤的宇宙和微小的細(xì)胞世界。X射線、激光的發(fā)明，使得人類的雙眼穿透物質(zhì)的內(nèi)在，不斷滲透到更小的物質(zhì)結(jié)構(gòu)單元，到達(dá)原子尺度的微觀結(jié)構(gòu)。

　　X 射線自由電子激光器，簡(jiǎn)稱XFEL，就是利用自由電子作為介質(zhì)來產(chǎn)生X射線的激光器。它天然地同時(shí)具有X射線和激光的優(yōu)點(diǎn)，與典型的第三代同步輻射光源相比，XFEL的峰值亮度高9 個(gè)數(shù)量級(jí)，脈沖寬度短3 個(gè)數(shù)量級(jí)，相干性提高3 個(gè)數(shù)量級(jí)以上。這些特點(diǎn)突破了現(xiàn)有常規(guī)激光和同步輻射光源的許多禁區(qū)，使得XFEL自誕生之日起就備受科學(xué)研究者青睞。

　　20 世紀(jì)70 年代，斯坦福大學(xué)研究人員提出了自由電子激光(FEL)的概念并發(fā)明了遠(yuǎn)紅外自由電子激光器。自那以后，許多國(guó)家都開展了關(guān)于自由電子激光的理論與實(shí)驗(yàn)研究，自由電子激光器向著更高能量、更短波長(zhǎng)的方向穩(wěn)步發(fā)展。

　　21 世紀(jì)初，世界上第一臺(tái)X 射線自由電子激光器(簡(jiǎn)稱XFEL)，在德國(guó)誕生。在過去的十多年中，X 射線自由電子激光引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注，各個(gè)國(guó)家的大力投入和支持使其在很短的時(shí)間內(nèi)取得了迅速的發(fā)展，在物理、化學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域都發(fā)揮了重要的作用。

　　據(jù)了解，在物理中的應(yīng)用，超短超強(qiáng)的XFEL脈沖能夠產(chǎn)生一些極端條件下的奇異物態(tài)。在化學(xué)中的應(yīng)用，XFEL產(chǎn)生的飛秒X射線脈沖將納米尺度空間分辨率和飛秒尺度時(shí)間分辨率完美地結(jié)合在了一起，從而為我們提供了前所未有的技術(shù)手段去從本質(zhì)上研究化學(xué)反應(yīng)過程。在生物中的應(yīng)用，可以測(cè)量單粒子和非晶生物樣品結(jié)構(gòu)信息。材料科學(xué)中的應(yīng)用，用于材料結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和相變過程的研究。

　　（本文圖片均由中科院上海高等研究院提供）

分享讓更多人看到