最近，作為《國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》優(yōu)先布局的、我國(guó)迄今為止投資最大的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目———硬X射線自由電子激光裝置（ XFEL）獲批啟動(dòng)。這種裝置因?yàn)槟軒椭茖W(xué)家看清原子乃至電子尺度上的微觀世界，被英國(guó)《自然》雜志稱為科學(xué)家的“高速攝像機(jī)”。
由于原子、電子運(yùn)動(dòng)得實(shí)在太快了，人類至今從未看清過(guò)它們是怎樣運(yùn)動(dòng)的。XFEL可以捕捉微觀世界的瞬時(shí)圖像，并可慢速回放，讓科學(xué)家弄清其中的奧秘，因而成為各國(guó)爭(zhēng)相研制的一大科研利器。
我國(guó)迄今為止投資最大的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目———硬X射線自由電子激光裝置（XFEL）最近獲批啟動(dòng)。選址上海張江綜合性國(guó)家科學(xué)中心核心區(qū)域，這個(gè)總長(zhǎng)3．1公里的裝置，將建設(shè)埋深約30米的地下隧道，沿浦東新區(qū)羅山路，一直延伸到上?？萍即髮W(xué)園區(qū)。
早在2009年，美國(guó)就建成了世界上第一條XFEL。近年來(lái)，日本、瑞士、韓國(guó)都在加緊研制這一科研利器。去年9月，歐洲12國(guó)共同投資12億歐元、建在德國(guó)漢堡附近的歐洲XFEL開(kāi)始進(jìn)行首批實(shí)驗(yàn)。
硬X射線自由電子激光裝置所提供的X射線，峰值亮度比第三代同步輻射光源可以高出上萬(wàn)倍，能幫助科學(xué)家看清原子，乃至電子尺度上的微觀世界，可將對(duì)微觀世界的研究從拍“分子照片”提升到拍“分子電影”的水平，因而成為全世界科學(xué)家追逐的熱門。英國(guó)《自然》雜志將這種裝置稱為科學(xué)家的“高速攝像機(jī)”。
比普通X光亮上億倍具備超快時(shí)間分辨力
高速運(yùn)動(dòng)的電子在受磁場(chǎng)影響發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)沿切線方向釋放同步輻射光，這種光比普通X光強(qiáng)上萬(wàn)倍。而X射線自由電子激光則比同步輻射光更強(qiáng)，這種光是高能電子在受磁場(chǎng)作用，發(fā)生扭擺的時(shí)候，在前進(jìn)方向上放出的激光。
X射線自由電子激光根據(jù)能量和波長(zhǎng)的不同，分為軟、硬X射線兩種，后者亮度更高，比同步輻射光還要高出上萬(wàn)倍，其波長(zhǎng)可達(dá)到幾個(gè)納米（10米）。
與同步輻射光相比，X射線自由電子激光具有更高的亮度、更短的脈沖結(jié)構(gòu)和更好的相干性。同步輻射光所能看到的是分子層面的結(jié)構(gòu)，而硬X射線自由電子激光則能看清原子級(jí)別的結(jié)構(gòu)。這有什么不同？如果說(shuō)，同步輻射光可以看清一幢大樓的表面，那么硬X射線自由電子激光則可以看清每個(gè)窗戶里發(fā)生的事情。
顯然，XFEL可以幫助科學(xué)家看清以前從未看到過(guò)的微觀世界，一些科學(xué)猜測(cè)也許就此解開(kāi)謎團(tuán)。盡管現(xiàn)有的XFEL性能還有不少提升空間，但科學(xué)家已經(jīng)利用這種超強(qiáng)光源，得到了一些新發(fā)現(xiàn)。例如，中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所徐華強(qiáng)研究員領(lǐng)銜的國(guó)際交叉團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)聯(lián)合攻關(guān)，利用美國(guó)斯坦福直線加速器中心（SLAC）國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的XFEL，成功解析了磷酸化視紫紅質(zhì)與阻遏蛋白復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)，攻克了細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)領(lǐng)域的重大科學(xué)難題。隨著數(shù)據(jù)分析方法的提升和改進(jìn)，他用同一套數(shù)據(jù)，先后有了兩次重大發(fā)現(xiàn)，論文均發(fā)表在美國(guó)《細(xì)胞》雜志上。這也從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明，XFEL將為科學(xué)發(fā)現(xiàn)帶來(lái)極具價(jià)值的研究數(shù)據(jù)。
近十年來(lái)，全球科學(xué)家都在追求這種激光，不斷提升其性能，希望借此推動(dòng)人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)更加深入。就在去年9月，歐洲12國(guó)共同投資的XFEL在德國(guó)漢堡附近開(kāi)始進(jìn)行首批實(shí)驗(yàn)，其能量高達(dá)17．5GeV（109電子伏特），每秒可發(fā)射2．7萬(wàn)個(gè)脈沖。美國(guó)2009年建成的XFEL能量達(dá)到14．5GeV，現(xiàn)在又開(kāi)始建設(shè)其升級(jí)版，雖然能量指標(biāo)為4GeV，但其每秒可發(fā)射100萬(wàn)個(gè)脈沖，是目前裝置的1萬(wàn)倍。我國(guó)新啟動(dòng)的XFEL能量為8GeV，可以產(chǎn)生品質(zhì)非常高的光子，它還將同時(shí)具備納米級(jí)的超高空間分辨能力，以及飛秒（10秒）級(jí)的超快時(shí)間分辨能力。
為科學(xué)家拍分子電影鮮活展現(xiàn)微觀世界
利用硬X射線自由電子激光，科學(xué)家能做什么？在早期的XFEL上，科學(xué)家每秒可以收集到100張左右的X射線照片，而在新啟用的歐洲XFEL實(shí)驗(yàn)站，科學(xué)家每秒可收集3000多張高質(zhì)量的X射線照片。那么，如果脈沖數(shù)高達(dá)百萬(wàn)的話，將為科學(xué)家?guī)?lái)多少微觀世界的瞬時(shí)圖像？
眾所周知，每秒24幀的畫面就可形成視覺(jué)上連續(xù)不斷的動(dòng)態(tài)影像，也就是最基本的電影，當(dāng)每秒圖像超過(guò)1000幀，就進(jìn)入到了高速攝像機(jī)的水準(zhǔn)。每秒百萬(wàn)次脈沖，就意味著每秒拍攝下的X射線照片可能多達(dá)約10萬(wàn)張，那真是名副其實(shí)的超級(jí)高速照相機(jī)。
一般來(lái)說(shuō)，高速攝像機(jī)的圖像質(zhì)量并不會(huì)很高，但XFEL這臺(tái)高速攝像機(jī)目前的分辨率已達(dá)到百納米級(jí)別，未來(lái)還將向納米級(jí)別沖刺。
為何科學(xué)家需要如此高速高清的攝像機(jī)？那是因?yàn)樵?、電子的運(yùn)動(dòng)太快了，人類至今從未看清過(guò)它們是怎樣運(yùn)動(dòng)的，只能看到一團(tuán)電子云———那是電子快速運(yùn)動(dòng)所形成的軌跡迷霧，就好比武俠小說(shuō)中的落英繽紛掌、天羅地網(wǎng)手或無(wú)影神拳。而XFEL則有望將這一過(guò)程抓拍下來(lái)，并讓科學(xué)家慢速回放，弄清過(guò)程中的奧秘，清晰地看到電子、原子結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，如電子怎樣從一個(gè)分子跑向另一個(gè)分子，這相當(dāng)于將微觀世界活生生展現(xiàn)在人們面前，而這是目前還做不到的。
新發(fā)現(xiàn)將可能顛覆以前的很多科學(xué)認(rèn)知，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在只能看到模模糊糊的影像，只能用平均圖像來(lái)猜測(cè)真實(shí)的微觀粒子世界。比如超導(dǎo)如何產(chǎn)生，“生命機(jī)器”蛋白質(zhì)分子如何運(yùn)行，化學(xué)反應(yīng)中化學(xué)鍵如何形成，等等。科學(xué)家曾用這種光源將電子從碘甲烷分子（CH3I）中的碘原子里幾乎全部敲出，使得碘原子像黑洞的電磁一樣吸引甲基的電子，其響應(yīng)時(shí)間在飛秒級(jí)別。這一研究結(jié)果發(fā)表在去年6月的英國(guó)《自然》雜志上。
由于自由電子激光是在電子前進(jìn)的方向上發(fā)出的光，所以它不能像同步輻射光那樣，繞著一個(gè)大圓環(huán)來(lái)引出一束束光，建成幾十個(gè)實(shí)驗(yàn)線站，而只能讓光稍稍偏轉(zhuǎn)，分成有限的幾束，接到實(shí)驗(yàn)站上（數(shù)量一般不超過(guò)十個(gè)）。這也讓它顯得尤為寶貴。
一般XFEL包含直線加速器隧道、波蕩器隧道、光束線隧道、用戶裝置等設(shè)施。要獲得更高能量的電子，就需要更長(zhǎng)的電子加速距離，所以裝置會(huì)越造越長(zhǎng)，為了縮短電子加速的距離，基于超導(dǎo)技術(shù)的加速器正在成為世界上建造XFEL的主流。
上海即將建造的XFEL，也采用超導(dǎo)加速器，以期在建成后成為世界上最高效和最先進(jìn)的自由電子激光用戶裝置之一。
該裝置建成后，將為物理學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等多學(xué)科提供高分辨成像、超快過(guò)程探索、先進(jìn)結(jié)構(gòu)解析等尖端研究手段。張江地區(qū)也將成為集聚同步輻射光源、軟X射線自由電子激光、硬X射線自由電子激光和超強(qiáng)超短激光于同一區(qū)域的國(guó)際光子科學(xué)研究高地。
該項(xiàng)目還將嘗試打破高校與科研院所的圍墻，聯(lián)手大量高技術(shù)企業(yè)，在張江地區(qū)“集聚力量做大事”。記者了解到，由于XFEL的很多技術(shù)都要挑戰(zhàn)極限，因此對(duì)我國(guó)高端制造業(yè)的提升將有明顯的牽引作用。
硬X射線自由電子激光的用途
XFEL的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)
自由電子激光從揭秘原子開(kāi)始。該研究成果發(fā)表于2010年7月1日英國(guó)《自然》雜志。
研究難以結(jié)晶的蛋白質(zhì)
中科院上海藥物研究所研究員徐華強(qiáng)領(lǐng)銜的國(guó)際交叉團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)聯(lián)合攻關(guān)，再次利用世界上最強(qiáng)X射線激光所解析的磷酸化視紫紅質(zhì)與阻遏蛋白復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，解決了細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)領(lǐng)域的重大科學(xué)難題。該項(xiàng)突破性成果于2017年7月28日以封面文章形式發(fā)表于美國(guó)《細(xì)胞》雜志。
看清原子級(jí)結(jié)構(gòu)
極高亮度的X射線自由電子激光將54（62）電子從碘甲烷分子CH3I的碘原子（右）中敲出，使得它像黑洞的電磁一樣吸引甲基（左）的電子，其響應(yīng)時(shí)間在飛秒內(nèi)。該研究結(jié)果發(fā)表在2017年6月1日的英國(guó)《自然》雜志。
揭示化學(xué)反應(yīng)機(jī)理
捕獲化學(xué)鍵的形成瞬間。該研究成果發(fā)表于2015年2月12日美國(guó)《科學(xué)》雜志。
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