物理學(xué)家楊振寧高度關(guān)注的X射線(xiàn)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(gè)新成員。自由電子激光的基本原理是通過(guò)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(chēng)為自由電子激光，這種激光的特點(diǎn)是激光波長(zhǎng)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(jí)脈沖的時(shí)間結(jié)構(gòu)，且時(shí)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(wèn)世后不久，科學(xué)家們就開(kāi)始著手于研究它的應(yīng)用問(wèn)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(lèi)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(xiàn)性光學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料、能源、通信、國(guó)防和技術(shù)科學(xué)等多個(gè)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(gè)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(lái)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(guó)浦項(xiàng)加速器研究所的“夢(mèng)想光工廠(chǎng)”——第四代放射光加速器（PAL-XFEL）項(xiàng)目正式宣告開(kāi)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(zhǎng)170米，激光能源為3GeV（1GeV = 10億eV），光的亮度為太陽(yáng)的一億倍左右。而第四代放射光加速器長(zhǎng)達(dá)710米，加上插入裝置（250米）和其他裝備的話(huà)，全長(zhǎng)將達(dá)1100米。據(jù)悉，現(xiàn)在只有美國(guó)（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(guó)將成為第三個(gè)擁有這一設(shè)備的國(guó)家，屆時(shí)將制造出比太陽(yáng)還要亮100萬(wàn)萬(wàn)億倍的光線(xiàn)。

韓國(guó)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(kāi)工建設(shè)

第四代放射光加速器就是指X射線(xiàn)自由電子激光（Free Electron Laser，FEL），它是一種以相對(duì)論高品質(zhì)電子束作為工作介質(zhì)，在周期磁場(chǎng)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(gè)重要研究領(lǐng)域。由于同時(shí)具有的峰值亮度（高于第三代同步輻射光源8-10個(gè)數(shù)量級(jí)）、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(jià)值。

目前，X射線(xiàn)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(xiàn)波段。一臺(tái)軟X射線(xiàn)自由電子激光（FLASH）于2006年誕生于德國(guó)同步加速器實(shí)驗(yàn)室（DESY），臺(tái)硬X射線(xiàn)自由電子激光（LCLS）也于2009年在美國(guó)斯坦福直線(xiàn)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(tái)的超高亮度相干輻射光源做出了一系列開(kāi)創(chuàng)性的科學(xué)研究成果。此外，還有數(shù)臺(tái)X射線(xiàn)FEL正在亞洲、歐洲和美國(guó)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(xiàn)到硬X射線(xiàn)的自由電子激光用戶(hù)裝置做出重要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

目前對(duì)X射線(xiàn)自由電子激光裝置的科學(xué)需求十分強(qiáng)烈，對(duì)于建設(shè)高亮度多用戶(hù)的新裝置存在普遍的呼聲和期待。除已經(jīng)建成的美國(guó)、歐洲和日本的大型自由電子激光裝置以外，意大利、美國(guó)、韓國(guó)和瑞士等國(guó)家也在建設(shè)軟X射線(xiàn)到硬X射線(xiàn)的新用戶(hù)裝置。目前世界范圍內(nèi)的高增益X射線(xiàn)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(guó)的X射線(xiàn)自由電子激光裝置

出于對(duì)中國(guó)發(fā)展X射線(xiàn)自由電子激光的極大關(guān)注，的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、物理學(xué)家楊振寧先生早前參加“X射線(xiàn)自由電子激光（XFEL）的進(jìn)展”報(bào)告時(shí)指出，X射線(xiàn)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(guó)參與的上好機(jī)會(huì)。他相信中國(guó)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(shí)，楊振寧先生從1997年5月開(kāi)始還先后8次給我國(guó)有關(guān)部門(mén)和有關(guān)寫(xiě)信，呼吁中國(guó)盡快開(kāi)展X射線(xiàn)自由電子激光的預(yù)研究。為此，國(guó)家科學(xué)技術(shù)中長(zhǎng)期發(fā)展計(jì)劃相關(guān)研究報(bào)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(xiàn)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(xiàn)自由電子激光

據(jù)副院長(zhǎng)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(gè)實(shí)現(xiàn)了飽和出光。自2000年起，在、、國(guó)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(guó)科技大學(xué)以及北京大學(xué)已聯(lián)合開(kāi)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(guó)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(guó)也已經(jīng)積極進(jìn)行更光源的前瞻部署。但這些部署對(duì)于發(fā)展X射線(xiàn)自由電子激光過(guò)于薄弱，我國(guó)要跨越發(fā)展到X射線(xiàn)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(guó)際上加速發(fā)展起來(lái)，美國(guó)SLAC的X射線(xiàn)自由電子激光已經(jīng)出光，德國(guó)、日本、韓國(guó)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(guó)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(guó)家申請(qǐng)建設(shè)硬X射線(xiàn)的用戶(hù)裝置，就可以將我國(guó)與國(guó)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(guó)家建議，在上海光源的北面，建設(shè)一臺(tái)軟X射線(xiàn)自由電子激光試驗(yàn)裝置，開(kāi)展短波長(zhǎng)自由電子激光裝置的預(yù)先研究。據(jù)悉，今年總長(zhǎng)為300米的第四代光源裝置“上海X射線(xiàn)自由電子激光”有望在上海張江科技園區(qū)內(nèi)動(dòng)工，標(biāo)志著我國(guó)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(xiàn)和上百個(gè)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(tái)。

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?。在這個(gè)大型的光源里，基建、維護(hù)、服務(wù)和科研工作一樣，時(shí)刻都在井井有條地進(jìn)行著。

穿過(guò)一條走廊，前來(lái)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(gè)光源內(nèi)部的主要結(jié)構(gòu)。站在上海光源大廳里的沙盤(pán)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(gè)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(chǔ)存環(huán)中運(yùn)行，并在磁場(chǎng)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(lái)訪(fǎng)記者介紹上海光源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

對(duì)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(wèn)，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(guò)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(shí)，上海應(yīng)物所還在大力開(kāi)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(guó)成為繼美國(guó)后二個(gè)掌握這項(xiàng)技術(shù)的國(guó)家。

同時(shí)，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(guó)科學(xué)的未來(lái)。王東向記者介紹了這些年來(lái)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(jià)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(xiàn)站”，揭示了一類(lèi)蛋白特異識(shí)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(xiàn)小角度衍射線(xiàn)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(lái)源：激光網(wǎng)

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