亮度是太阳光的“100亿×100亿”倍，这个大科学装置能做什么？

【导语】在中国广东省深圳市的光明科学城，一项全球领先的大科学装置——深圳中能高重复频率X射线自由电子激光装置（简称“自由电子激光装置”）正在建设中。该装置长达1.7公里，具备超高亮度、超高空间分辨、超快时间分辨及高重复频率等特点，将成为探索微观世界和超快动力学过程的强大工具。其建成后将填补我国在该领域的技术空白，并为物理、化学、生物、医药等多个领域提供最先进的大科学实验平台，推动科技创新和产业发展。

出品：

作者：张丽媛（深圳先进光源研究院）、Denovo团队（杨超）

审核：杨川（深圳先进光源研究院）

监制：中国科普博览

在广东省深圳市的光明科学城，中国科学家们正在建设全球最尖端的大科学装置——深圳中能高重复频率X射线自由电子激光大科学装置（Shenzhen Superconducting Soft-X-ray Free Electron Laser，以下简称“自由电子激光装置”）。

建成后的自由电子激光装置，其建筑外观犹如竹笋拔节，又如宝剑出匣。这条长达1.7公里的“科创光剑”可不是科幻电影里的星际通道，而是中国自主研发的探秘原子和分子动态变化的“超级高速摄像机”。它具有超亮、超快、超高空间分辨、高重复频率等特点。

自由电子激光装置建成后的效果图

（图片来源：上(shàng)海(hǎi)建筑设计研究院有限公司）

自由电子激光装置厉害在哪儿？

它究竟有多亮？

自由电子激光装置的峰值亮度可以达到太阳光100亿倍的100亿倍。如此高的亮度，使得即使极少量的分子或原子也能被高效探测。

它究竟有多快？

该装置能提供飞秒级的时间分辨率，如同具备飞秒级快门的超高速摄像机，可以记录飞秒量级时间内分子发生的变化，可以精确而深入地研究自然界的许多超快动力学过程，实现为分子“拍电影”。如此快的高强度 X 射线激光脉冲，使得可以在生物大分子被辐射损伤破坏之前得到其结构信息，实现“损伤前探测”。飞秒（femtosecond）是标衡时间长短的一种计量单位。1飞秒是1秒的一千万亿分之一。光（每秒飞(fēi)行(xíng)30万千米）在 1 飞秒内也只能向前传播约 0.3 微米（μm），这个距离甚至不到一根头发丝的百分之一。

它的空间分辨率究竟多高？

自由电子激光装置的空间分辨率可达纳米量级，如同一台能够看清楚纳米世界的超级显微镜，可以让科学家更清楚地了解微观世界。纳米是长度计量单位，1纳米（nm）等于10亿分之一米。1纳米有多小呢？一根头发(fā)的(de)直(zhí)径大(dà)约(yuē)是(shì)0.05毫(háo)米(mǐ)，把(bǎ)它(tā)径向(xiàng)平(píng)均(jūn)剖(pōu)成(chéng)5万(wàn)根(gēn)，每(měi)根(gēn)的(de)厚(hòu)度(dù)大(dà)约(yuē)就(jiù)是(shì)1纳(nà)米(mǐ)。病(bìng)毒(dú)的(de)大(dà)小(xiǎo)约(yuē)是(shì)几(jǐ)十(shí)纳(nà)米(mǐ)，DNA分(fēn)子(zi)直(zhí)径约(yuē)为(wèi)2纳(nà)米(mǐ)。化(huà)学(xué)反应中不可再分的基本微粒，也就是原子的直径是0.1纳米。

它的重复频率究竟多高？

该装置的重复频率可达1 百万赫兹（MHz），可以理解为1 秒内产生1000000次闪光，而家用电灯泡1 秒内只有50次闪光。高重复频率意味着单位时间内可产生更多的X射线脉冲，从而显著提高平均光子通量，大幅缩短实验数据采集时间，提高实验效率，满足多用户同时使用。

综上，自由电子激光装置所具有的超高亮度、超高空间分辨、超快时间分辨、以及高重复频率等特点，使其成为探索微观世界和超快动力学过程的研究利器。

自由电子激光装置的建设为什么如此重要？

X 射线自由(yóu)电(diàn)子(zi)激(jī)光(guāng)(X-ray Free-electron Laser，简(jiǎn)称(chēng) XFEL) 是(shì)一(yī)种(zhǒng)利(lì)用(yòng)相(xiāng)对(duì)论(lùn)电(diàn)子(zi)束(shù)团(tuán)为(wèi)工(gōng)作(zuò)媒(méi)介(jiè)、在(zài)周(zhōu)期(qī)磁(cí)场(chǎng)中(zhōng)产(chǎn)生(shēng)高(gāo)亮(liàng)度(dù)、超(chāo)短(duǎn)X射(shè)线(xiàn)脉(mài)冲(chōng)的(de)新(xīn)型(xíng)强(qiáng)相(xiāng)干(gàn)光(guāng)源(yuán)。XFEL是(shì)一(yī)种(zhǒng)超(chāo)快(kuài)X射(shè)线(xiàn)光(guāng)源(yuán)，具(jù)有(yǒu)相(xiāng)干(gàn)性(xìng)好(hǎo)、峰(fēng)值(zhí)亮(liàng)度(dù)高(gāo)、辐(fú)射(shè)脉(mài)冲(chōng)短(duǎn)、波(bō)长(zhǎng)可(kě)调(diào)谐(xié)等(děng)优(yōu)点(diǎn)。

深(shēn)圳(zhèn)自(zì)由(yóu)电(diàn)子(zi)激(jī)光(guāng)装(zhuāng)置(zhì)的(de)出(chū)光(guāng)波(bō)长(zhǎng)范(fàn)围(wéi)为(wèi)1-30 nm，覆(fù)盖(gài)极(jí)紫(zǐ)外(wài)到(dào)软(ruǎn)X射(shè)线(xiàn)波(bō)段(duàn)，平(píng)均(jūn)功(gōng)率(lǜ)可(kě)达(dá)到(dào)百(bǎi)瓦(wǎ)甚(shén)至(zhì)千(qiān)瓦(wǎ)。其(qí)建(jiàn)设(shè)填(tián)补(bǔ)了(le)我(wǒ)国(guó)高(gāo)重(zhòng)复(fù)频(pín)率(lǜ)自(zì)由(yóu)电(diàn)子(zi)激(jī)光(guāng)装(zhuāng)置(zhì)在(zài)该(gāi)波(bō)段(duàn)的(de)布(bù)局(jú)缺(quē)失(shī)。

此(cǐ)外(wài)，该(gāi)装(zhuāng)置(zhì)的(de)建(jiàn)设(shè)有(yǒu)助(zhù)于(yú)在(zài)我(wǒ)国(guó)建(jiàn)立(lì)起(qǐ)由(yóu)南(nán)到(dào)北(běi)的(de)先(xiān)进(jìn)自(zì)由(yóu)电(diàn)子(zi)激(jī)光(guāng)装(zhuāng)置(zhì)群(qún)，形(xíng)成(chéng)地(de)域上(shàng)遥(yáo)相(xiāng)呼(hū)应(yīng)，能(néng)区(qū)上(shàng)相(xiāng)互(hù)补(bǔ)充(chōng)的(de)完(wán)美(měi)格(gé)局(jú)，可(kě)为(wèi)物(wù)理(lǐ)、化(huà)学(xué)、生(shēng)物(wù)、医(yī)药(yào)、材(cái)料(liào)、能(néng)源(yuán)、环(huán)境(jìng)等(děng)领(lǐng)域提(tí)供(gōng)最(zuì)先(xiān)进(jìn)的(de)大(dà)科(kē)学(xué)实(shí)验(yàn)平(píng)台(tái)。

为(wèi)什(shén)么(me)自(zì)由(yóu)电(diàn)子(zi)激(jī)光(guāng)装(zhuāng)置(zhì)需(xū)要(yào)设(shè)计(jì)为(wèi)1.7公(gōng)里(lǐ)长(zhǎng)呢(ne)？

该(gāi)装(zhuāng)置(zhì)的(de)长(zhǎng)度(dù)为(wèi)1.7公(gōng)里(lǐ)，主要(yào)有(yǒu)以(yǐ)下(xià)三(sān)个(gè)原(yuán)因(yīn)：

第(dì)一(yī)，其(qí)电(diàn)子(zi)枪(qiāng)及(jí)超(chāo)导(dǎo)直(zhí)线(xiàn)加(jiā)速(sù)器(qì)段(duàn)长(zhǎng)约(yuē)750米(mǐ)。因(yīn)为(wèi)它(tā)需(xū)要(yào)利(lì)用(yòng)直(zhí)线(xiàn)加(jiā)速(sù)器(qì)来(lái)加(jiā)速(sù)电(diàn)子(zi)，让(ràng)它(tā)们(men)达(dá)到(dào)高(gāo)能(néng)量(liàng)。直(zhí)线(xiàn)加(jiā)速(sù)器(qì)越(yuè)长(zhǎng)，直(zhí)线(xiàn)加(jiā)速(sù)器(qì)中(zhōng)的(de)加(jiā)速(sù)结(jié)构(gòu)（如(rú)射(shè)频(pín)腔(qiāng)）越(yuè)多(duō)，则(zé)电(diàn)子(zi)获(huò)得(de)的(de)能(néng)量(liàng)越(yuè)高(gāo)。它最终能将电子加速至约2.5 GeV（十亿电子伏特）。

第二，其束流分配段和波荡器段的长度约为600米。电子束经束流分配段进入波荡器后，在周期性磁场作用下发生横向振荡，产生辐射。波荡器长度必须足够长，才能确保电子束产生能量和密度调制，从而实现自由电子激光产生指数增益，直(zhí)到(dào)饱(bǎo)和(hé)的(de)过(guò)程(chéng)。

第(dì)三，其线站段的长度约为350米。在光束线区域需长(zhǎng)距(jù)离(lí)布(bù)控(kòng)光(guāng)学(xué)系(xì)统(tǒng)，以(yǐ)满(mǎn)足(zú)高(gāo)能(néng)X射(shè)线(xiàn)自(zì)由(yóu)电(diàn)子(zi)激(jī)光(guāng)的(de)传(chuán)输(shū)、分(fēn)配(pèi)、诊(zhěn)断(duàn)及(jí)操(cāo)纵(zòng)的(de)需(xū)求(qiú)。末(mò)端(duān)部(bù)署(shǔ)多(duō)个(gè)独(dú)立(lì)实(shí)验(yàn)终(zhōng)端(duān)以(yǐ)确(què)保(bǎo)不(bù)同(tóng)科(kē)学(xué)用(yòng)户(hù)开(kāi)展(zhǎn)原(yuán)创(chuàng)性(xìng)的(de)科(kē)学(xué)研(yán)究(jiū)。

自由电子激光装置的关键部件及工作原理

（1）超导直线加速器：将电子束团加速到高能量状态

在电子枪中，紫外驱动激光激发碲化铯（Cs2Te）光阴极（一种半导体光电发射材料）表面，产生1 MHz重复频率的高亮度电子束团。电子枪中产生的高品质电子束团在超导直线加速器中被加速至接近光速，超导加速(sù)器(qì)采用(yòng)连(lián)续(xù)波(bō)工(gōng)作(zuò)模(mó)式(shì)，将(jiāng)电(diàn)子(zi)束(shù)团(tuán)能(néng)量(liàng)由(yóu)90 MeV（兆(zhào)电(diàn)子(zi)伏(fú)特(tè)）提(tí)高(gāo)到(dào)2.5 GeV。

超导直线加速器示意图

（图片来源：深圳先进光源研究院）

（2）波荡器：高能电子束团在此辐射出高品质自由电子激光

波荡器由一系列N极和S极交替排列的磁铁阵列构成，是一种能够产生周期性空间分布磁场的装置。高能电子束团经过波荡器时，电子在洛伦兹力作用下做周期性摆动，从而产生自发辐射。以自放大自发辐射（SASE）运行模式为例，电子束团在波荡器中做扭摆运动，在其前进方向上自发地发射电磁辐射，辐射场与电子束相互作用，使电子束产生能量调制，并进一步使电子束形成以辐射波长为周期的密度调制（也称微群聚），电子束团内部的微群聚现象能够加强辐射场的产生，辐射场的加强进一步促进微群聚形成，进而形成正反馈，使辐射场能量得到指数增长，最终产生高品质自由电子激光脉冲。通过合理选择电子束和波荡器的参数，可在不同波长实现共振，实现辐射波长连续可调。

波荡器示意图

（图片来源：深圳先进光源研究院(yuàn)）

（3）线(xiàn)站(zhàn)：线(xiàn)站(zhàn)是(shì)光(guāng)束(shù)线(xiàn)和(hé)实(shí)验(yàn)站(zhàn)的(de)合(hé)称(chēng)。

光(guāng)束(shù)线(xiàn)是(shì)连(lián)接(jiē)自(zì)由(yóu)电(diàn)子(zi)激(jī)光(guāng)光(guāng)源(yuán)和(hé)后(hòu)端(duān)科(kē)学实验站的桥梁。它的作用是对光源发出的自由电子激光脉冲进行聚集、分束、衰减、准直、单色化、以及诊断等操控，并高效地传输至实验站。实验站作为该装置的终端，是科学家们开展信息技术、量子材料、能源催化、生物医药、星际科学、原子分子科学等领域研究的实验平台。

线站示意图

（图片来源：深圳先进光源研究院）

自由电子激光装置的前沿应用及展望

自由电子激光装置实验站以面向国家重大需求、聚焦科学前沿和引领地区产业发展为建设宗旨，重点探究信息技术、量子材料、能源催化、生物医药、星际科学、原子分子科学等领域的关键技术和科学难题。

在信息技术领域，基于该装置开展信息材料制备、检测、标定、服役评估等工作，攻关信息材料相关关键技术，可为我国信息产业(yè)技(jì)术(shù)的(de)自主可控发展奠定坚实的科学技术基础。

在量子材料领域，依托该装置，可实现量子材料电子态和结构动态的直接测量，推动无能量耗散电子器件、自旋电子学信息传输和存储器件的研发。

在能源催化领域，基于该装置开展高灵敏度元素分析、中间产物原位探测、催化反应中反应物到产物、催化活性中心结构的动态演变，可多角度、全方位开展能源领域催化材料在实际工况条件下(xià)的(de)原(yuán)位(wèi)动(dòng)态(tài)研(yán)究(jiū)，发(fā)现(xiàn)提(tí)升(shēng)催(cuī)化(huà)效(xiào)率(lǜ)的(de)关键因(yīn)素(sù)，发(fā)展(zhǎn)能(néng)源(yuán)相(xiāng)关的(de)高(gāo)效(xiào)催(cuī)化(huà)剂(jì)，推(tuī)动碳资源高效利用以及新型清洁能源开发。

在生物医药领域，依托该装置，开展蛋白质等复杂生物分子在重大疾病发生和治疗过程中的组成和结构变化研究，可为基础生物学过程研究、病理机制研究和调控、重大疾病诊断标志物检测、靶向药物开发等提供前沿技术支撑。

在星际科学领域，依托该装置，模拟星际分子演化和生命起源的过程，进而探索星际分子光化学、生命分子光合成、星际分子光谱和光化学过程，可研究星云和行星演化与生命起源相关过程。

在原子分子科学领域，依托该装置，开展超高精密光谱研究，实现原子、分子的高效激发，可显著提高原子或分子精密光谱的测量精度，为量子科技的发展以及化学科学前沿提供新思路和新机遇。

结语

该装置所产生的X射线激光脉冲具有极高峰值亮度、高平均亮度、超短和高相干等特性，将显著提升科学研究的时间分辨率和空间分辨率，能够促进对微观世界的研究能力，达成从拍“分子照片”到拍“超高清分子电影”的突破。

该装置可为科学家和企业用户提供一种具有超高时间分辨、空间分辨和能量分辨的新方法、新技术，将集聚世界前沿和原创性科学技术及产业研发，促进我国战略性新兴产业创新发展和关键仪器设备国产化、突破我国战略性新兴产业技术瓶颈、构建具有国际竞争力的战略性新兴产业集群(qún)。从(cóng)基础科学研究到产业应用，该装置将推动我国在半导体、绿色能源、功能新材料、生物医药与精密测量等领域的蓬勃发展，助力深圳发展成为世界顶尖科技重镇。同时，作为重要的科普教育基地，该装置将成为展示我国科技实力、提高全民族科学素质和民族自信的重要宣传窗口。