物理學(xué)家楊振寧高度關(guān)注的X射線自由電子激光研究項(xiàng)目

自由電子激光器

激光是二十世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，自由電子激光是激光家族的一個新成員。自由電子激光的基本原理是通過自由電子和輻射的相互作用，電子將能量轉(zhuǎn)送給輻射而使輻射強(qiáng)度增大,由于它的工作介質(zhì)是自由電子，因此稱為自由電子激光，這種激光的特點(diǎn)是激光波長和脈沖結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且能夠在大范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，例如:頻率連續(xù)可調(diào)，頻譜范圍廣，峰值功率和平均功率大，且可調(diào)，相干性好，偏振強(qiáng)，具有ps量級脈沖的時間結(jié)構(gòu)，且時間結(jié)構(gòu)可控，等等,因此自由電子激光有著重要的應(yīng)用前景。

由于自由電子激光器具有許多一般激光器的優(yōu)點(diǎn)，所以自由電子激光器問世后不久，科學(xué)家們就開始著手于研究它的應(yīng)用問題。自由電子激光特別適宜于研究光與原子、分子和凝固態(tài)物質(zhì)的相互作用，這類研究涉及到固體表面物理、半導(dǎo)體物理、超導(dǎo)體、凝聚態(tài)物理、化學(xué)、光譜學(xué)、非線性光學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料、能源、通信、國防和技術(shù)科學(xué)等多個方面。原子核工程是自由電子激光器應(yīng)用前途的領(lǐng)域之一，自由電子激光器在此應(yīng)用上的是高功率、寬可調(diào)光譜范圍，以及準(zhǔn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)。因此，可應(yīng)用于物質(zhì)提純、受控核聚變、鈾、釓、硼、鍶和鈦等元素的同位素分離和等離子體加熱等。自由電子激光從出現(xiàn)至今剛剛經(jīng)歷了20個年頭，尚處于發(fā)展的初期階段，技術(shù)還不成熟，但自由電子激光性能上的優(yōu)點(diǎn)，越來越引起科學(xué)界、軍事界、醫(yī)學(xué)界的高度重視。已成為科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)域之一。

近日，韓國浦項(xiàng)加速器研究所的“夢想光工廠”——第四代放射光加速器（PAL-XFEL）項(xiàng)目正式宣告開工建設(shè)。目前，浦項(xiàng)研究所正在運(yùn)轉(zhuǎn)的第三代放射光加速器全長170米，激光能源為3GeV（1GeV = 10億eV），光的亮度為太陽的一億倍左右。而第四代放射光加速器長達(dá)710米，加上插入裝置（250米）和其他裝備的話，全長將達(dá)1100米。據(jù)悉，現(xiàn)在只有美國（LCLS）和日本（SCSS）擁有這一性能的放射光加速器。如果該第四代放射光加速器能夠按照計(jì)劃在2014年年末竣工，韓國將成為第三個擁有這一設(shè)備的國家，屆時將制造出比太陽還要亮100萬萬億倍的光線。

韓國浦項(xiàng)加速器研究所的第四代放射光加速器已正式宣告開工建設(shè)

第四代放射光加速器就是指X射線自由電子激光（Free Electron Laser，FEL），它是一種以相對論高品質(zhì)電子束作為工作介質(zhì)，在周期磁場中，以受激發(fā)射方式放大電磁輻射的新型激光光源。是二十一世紀(jì)誕生的一代的光源，是激光物理與等離子物理中的一個重要研究領(lǐng)域。由于同時具有的峰值亮度（高于第三代同步輻射光源8-10個數(shù)量級）、超短的脈沖（飛秒到阿秒）和的相干性等特性，已經(jīng)被科學(xué)界視為一代的光子科學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)裝置，在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、能源、環(huán)境等等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價值。

目前，X射線激光研究多采用毛細(xì)管放電、 高功率激光的多脈沖和短脈沖等抽運(yùn)方式，而且絕大多數(shù)研究局限于軟X射線波段。一臺軟X射線自由電子激光（FLASH）于2006年誕生于德國同步加速器實(shí)驗(yàn)室（DESY），臺硬X射線自由電子激光（LCLS）也于2009年在美國斯坦福直線加速器中心（SLAC）調(diào)試成功。迄今為止科學(xué)家們已經(jīng)利用這兩臺的超高亮度相干輻射光源做出了一系列開創(chuàng)性的科學(xué)研究成果。此外，還有數(shù)臺X射線FEL正在亞洲、歐洲和美國等地建設(shè)和預(yù)研中。另外，已有一批世界科學(xué)家利用軟X射線到硬X射線的自由電子激光用戶裝置做出重要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

目前對X射線自由電子激光裝置的科學(xué)需求十分強(qiáng)烈，對于建設(shè)高亮度多用戶的新裝置存在普遍的呼聲和期待。除已經(jīng)建成的美國、歐洲和日本的大型自由電子激光裝置以外，意大利、美國、韓國和瑞士等國家也在建設(shè)軟X射線到硬X射線的新用戶裝置。目前世界范圍內(nèi)的高增益X射線自由電子激光裝置正進(jìn)入高速發(fā)展階段，第四代光源的概念和布局已經(jīng)初步形成。

l  中國的X射線自由電子激光裝置

出于對中國發(fā)展X射線自由電子激光的極大關(guān)注，的諾貝爾獎獲得者、物理學(xué)家楊振寧先生早前參加“X射線自由電子激光（XFEL）的進(jìn)展”報告時指出，X射線自由電子激光將在21世紀(jì)前期取得重大突破性發(fā)展，此項(xiàng)技術(shù)目前還在發(fā)展的初始階段，正是中國參與的上好機(jī)會。他相信中國人的聰明才智，相信黨和政府的杰出組織能力，只要給予足夠重視，定能在該領(lǐng)域進(jìn)入行列。同時，楊振寧先生從1997年5月開始還先后8次給我國有關(guān)部門和有關(guān)寫信，呼吁中國盡快開展X射線自由電子激光的預(yù)研究。為此，國家科學(xué)技術(shù)中長期發(fā)展計(jì)劃相關(guān)研究報告已明確建議“立即制訂并分階段實(shí)施從深紫外起步以X射線為最終目標(biāo)的自由電子激光系統(tǒng)總體發(fā)展計(jì)劃”。

物理學(xué)家楊振寧先生高度關(guān)注X射線自由電子激光

據(jù)副院長表示，正在進(jìn)行“第四代光源”---自由電子激光光源的預(yù)研，并已經(jīng)做出了“很好的結(jié)果”。早在1994年，高能所曾研制成功中紅外波段的北京自由電子激光裝置，在亞洲個實(shí)現(xiàn)了飽和出光。自2000年起，在、、國家自然科學(xué)基金委的先后支持下，上海應(yīng)用物理所、高能所和中國科技大學(xué)以及北京大學(xué)已聯(lián)合開展深紫外自由電子激光的前期和預(yù)制研究工作。2009年，我國的中能“第三代同步輻射光源”——上海光源（SSRF）的竣工驗(yàn)收，我國也已經(jīng)積極進(jìn)行更光源的前瞻部署。但這些部署對于發(fā)展X射線自由電子激光過于薄弱，我國要跨越發(fā)展到X射線自由電子激光，仍存在很多的技術(shù)空白和技術(shù)難點(diǎn)。

還表示，自由電子激光光源已在國際上加速發(fā)展起來，美國SLAC的X射線自由電子激光已經(jīng)出光，德國、日本、韓國等也均已起步，并已被提到戰(zhàn)略高度予以部署和實(shí)施，我國也應(yīng)該加快發(fā)展自由電子激光光源。希望在預(yù)研后，再向國家申請建設(shè)硬X射線的用戶裝置，就可以將我國與國家在光子科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展差距縮短到10—15年。

此前，已經(jīng)向國家建議，在上海光源的北面，建設(shè)一臺軟X射線自由電子激光試驗(yàn)裝置，開展短波長自由電子激光裝置的預(yù)先研究。據(jù)悉，今年總長為300米的第四代光源裝置“上海X射線自由電子激光”有望在上海張江科技園區(qū)內(nèi)動工，標(biāo)志著我國大型光源的發(fā)展進(jìn)入全新的階段。

l  中科院上海應(yīng)用物理研究所上海光源

中科院上海應(yīng)用物理研究所上海光源位于上海張江科技園區(qū)里。“上海光源”光源能量位居四，是世界上性能第三代中能同步輻射光源之一。“上海光源”具有建設(shè)60條以上光束線和上百個實(shí)驗(yàn)站的能力，每天可容納幾百名科研人員。這些實(shí)驗(yàn)站便是上海光源發(fā)揮作用的舞臺。

位于上海張江科技園區(qū)里中科院上海應(yīng)用物理研究所

踏進(jìn)實(shí)驗(yàn)站，十幾名科研人員正在緊張地工作。旁邊，一座新的實(shí)驗(yàn)站正在修建，身穿灰色制服的工人正在仔細(xì)地安裝儀器，身旁的氮?dú)夤拚爸讱狻Ｔ谶@個大型的光源里，基建、維護(hù)、服務(wù)和科研工作一樣，時刻都在井井有條地進(jìn)行著。

穿過一條走廊，前來探秘的記者走進(jìn)了實(shí)驗(yàn)站的內(nèi)部?；疑巧虾９庠磧?nèi)部的主色調(diào)，顯得穩(wěn)重而嚴(yán)肅。而螺旋形的加速器通道則是整個光源內(nèi)部的主要結(jié)構(gòu)。站在上海光源大廳里的沙盤模型前，負(fù)責(zé)接待記者的上海應(yīng)物所研究員、自由電子激光部主任王東告訴記者：“在這個碩大的圓形裝置中，注入器提供電子束并使其加速到所需能量，電子束以接近光速在閉合環(huán)形的真空電子儲存環(huán)中運(yùn)行，并在磁場作用下放出同步輻射光，同步輻射光在實(shí)驗(yàn)站里‘照射’到各種實(shí)驗(yàn)樣品上，科學(xué)儀器記錄下實(shí)驗(yàn)樣品的反應(yīng)信息或變化，經(jīng)處理后變成一系列圖像。”

工作人員向來訪記者介紹上海光源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

對于記者關(guān)注的實(shí)驗(yàn)室是否存在放射性輻射泄露的安全疑問，上海應(yīng)物所大裝置部負(fù)責(zé)光源工作的閆山川則告訴記者：“加速器隧道中確實(shí)存在有輻射，不過加速器隧道澆筑了1米多厚的混凝土，以保證工作人員的”

在高質(zhì)量地運(yùn)行上海光源的同時，上海應(yīng)物所還在大力開展下一代光源的研究。如今，上海應(yīng)物所技術(shù)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成“高增益諧波產(chǎn)生自由電子激光放大飽和”實(shí)驗(yàn)，使我國成為繼美國后二個掌握這項(xiàng)技術(shù)的國家。

同時，出自上海光源的“光”不僅照亮了自然界的真相，也照亮了中國科學(xué)的未來。王東向記者介紹了這些年來科學(xué)家利用上海光源取得的重大成果。比如：

1.  今年1月，復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系唐幸福課題組在抗堿金屬脫硝（SCR）催化劑研究方面取得了突破性進(jìn)展，該研究在控制氮氧化物的排放及減少大氣中細(xì)顆粒物（PM2.5）污染等方面具有重要應(yīng)用價值。

2.  2012年，清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心顏寧、施一公研究組利用“生物大分子晶體學(xué)光束線站”，揭示了一類蛋白特異識別其靶標(biāo)基因的分子基礎(chǔ)。

3.  更早一些的還有，在2011年，在“X射線小角度衍射線站”的配合下，浙江大學(xué)教授高超研究組發(fā)現(xiàn)了氧化石墨烯的手性液晶相行為，這項(xiàng)工作為提出新的結(jié)構(gòu)模型打下了基礎(chǔ)。

來源：激光網(wǎng)

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