【有益思】上海软X射线自由电子激光装置取得突破性进展： 给活体分子拍电影的“相机”就要有了

记者  |  耿挺

　　5月14日凌晨，与张江蔡伦路一墙之隔的一栋东西走向长达532米的长条形建筑内，灯火辉煌。在场的中科院上海高等研究院的科研人员不仅睡意全无，还难耐兴奋与期待之情。

　　当仪器上出现一个清晰而明亮的光斑时，大家情不自禁地欢呼起来。成了！中国第一台软X射线自由电子激光装置——上海软X射线自由电子激光装置，实现了2.0纳米波长的放大出光。

　　“我们已经先后在5.6纳米、3.5纳米、2.4纳米实现了自由电子激光放大出光，今天到了2.0纳米。”软X射线自由电子激光装置首席科学家、中国工程院院士赵振堂高兴地说，“这意味着上海软X射线自由电子激光装置已经实现了对‘水窗’波段的全覆盖”。

　　上海软X射线自由电子激光装置与上海光源比邻而居。从高空俯瞰，上海光源酷似一只“鹦鹉螺”，而修长的软X射线自由电子激光就是一只上窄下宽的“锥螺”，两者组成了上海光子科学设施集群的“海底乐园”。

　　与第三代同步辐射光源——上海光源相比，上海软X射线自由电子激光装置拥有更快的脉冲——从皮秒提升到飞秒级，以及更高的亮度——增强了约10亿倍。“用X射线自由电子激光装置，我们可以研究飞秒量级的动态过程。”赵振堂用了一个形象的比喻，“上海光源是给分子拍照片，X射线自由电子激光装置可以给分子拍电影。”

　　事实上，X射线自由电子激光是目前科学家所能掌握的最前沿的研究工具之一。它兼具超快脉冲、超高空间分辨、超强峰值亮度等特点，能够探测超小结构、捕获超快过程、理解复杂体系。科学家可以利用X射线自由电子激光，探测活细胞结构、研究非晶材料本质和相变、记录超快化学反应动态过程、分析电子结构动态变化等。

　　对软X射线自由电子激光而言，实现“水窗”范围的供光是实现其自身价值的首要任务。

　　“水窗”是指波长在2.3纳米到4.4纳米范围的软X射线波段，在此波段内，水对X射线是透明的，但其他构成生命的重要元素，例如碳和氧等仍会与X射线相互作用，因而水窗波段的X射线可用于活体生物细胞显微成像等，具有极其重要的科学应用价值。

　　而在“水窗”波段，自由电子激光的峰值亮度比同步辐射高十亿倍以上，且同时具备横向和纵向相干性，能够为物理、生物、化学等学科提供革命性的研究工具。

　　在科研团队夜以继日的努力之下，上海软X射线自由电子激光装置调试工作连续取得突破性进展，先后在5.6 纳米、3.5纳米、2.4纳米和2.0纳米波长实现自由电子激光放大出光，实现了“水窗”波段全覆盖，并在3.5纳米实现饱和，输出峰值功率超过500MW，X射线贯通光束线到达实验站。

　　“目前国际上，除了上海之外，在德国汉堡和意大利的里雅斯特，还各有一台软X射线自由电子激光装置。我们是最早实现‘水窗’波段全覆盖的。”上海软X射线自由电子激光装置项目常务副经理刘波说，这表明我国在软X射线自由电子激光研制方面已步入国际先进行列。

　　上海软X射线自由电子激光装置主要由试验装置、用户装置、活细胞结构与功能成像等线站工程三个项目支撑，分为两个阶段建设。最终目标是建成波长覆盖水窗波段的高亮度软X射线自由电子激光光源，并为首批5个实验站供光。

　　其中，试验装置起始于2006年，2014年获批动工，2020年11月完成国家验收；后两个项目2016年获得批复，并于2021年1月完成了基于试验装置的升级改造和总体集成。目前，上海软X射线自由电子激光装置包括1台光阴极注入器驱动的高性能C波段电子直线加速器、2台束团压缩器、2条50米长的波荡器线、两条光束线以及5个实验站。

　　研究团队在2021年3月完成了直线加速器的调试，之后又以国际少有的速度实现了“水窗”全波段的激光出光放大，且输出性能优异。同时，经过昼夜不停的紧张调试，自由电子激光已贯通整个光束线并到达实验站。

　　赵振堂透露，在目前调试工作的基础上，研究团队正在进一步优化装置参数和性能，将在年内全面实现装置性能达标，“争取在今年年底为用户实验研究供光”。