X 射線自由電子激光裝置

王雨芹

（北京師范大學 物理學系,北京 100875）

1 X 射線自由電子激光裝置及其原理

1.1 X 射線

X 射線是指電磁波譜中 0.01nm至幾十納米區域的輻射,人們根據其波長的不同將其分為超硬X 射線(＜ 0.1nm),硬X 射線 (0.1 -1nm) 和軟X 射線 (＞ 1nm)。1895 年11 月,放電管中的微弱閃光宣告了X 射線的問世,倫琴夫人手戴戒指的手骨像讓人類眼前的世界褪去一層層宏觀的外殼,隱匿于其中分子原子跳躍著,構筑了神秘卻又至關重要的微觀世界。正如《簡明不列顛百科全書》的權威性評論：“（X 射線）宣布了現代物理學時代的到來,使醫學發生了革命”[1]。發現X射線的一個多世紀來,眾多領域的科學家紛紛把X射線作為深入各領域不斷探索的新鑰匙,也不斷努力去揭示這種神秘射線的本質及其與各種物質相互作用的機理,更積極拓展相關領域應用,渴求X 射線能夠在更多領域創造奇跡,揭示真理。據統計,一百多年來,X 射線至少已經締造出了諾貝爾化學獎16 項、物理學獎13 項、生理學與醫學獎4 項[2],可見對X 射線的研究和應用顯著推動著新興學科領域的誕生和整個科學技術與社會的不斷進步。

既然X 射線有著廣泛的應用,那么如何產生符合研究需要的X 射線是至關重要的問題。目前為止,生成X 射線的方法根據其生成裝置被分為四種。最初的裝置是X 射線管,它包括了陰極和陽極二種電極,使高速電子在真空或充氣的條件下內撞擊金屬靶面,進而發生軔致輻射,生成X 射線。1895 年倫琴發現X 射線所使用的克魯克斯管就是X 射線管的“始祖”,這一方法延續至今仍是產生X 射線最普遍的方法。但該裝置無法產生高強度、高偏振、相干性好的X 射線束,使之在生物科學和材料學的應用相對疲軟[3]。另一種方法為激光等離子體,該方法成本低、易于操作,也能夠產生穩定性較好,亮度高的X 射線。其理論基礎為：當高強度的激光脈沖集中打到固體靶上時,靶的表面快速離化并生成高溫高致密的等離子體,進而通過軔致輻射產生X 射線。但由于此方法生成的X 射線與靶材料的性質緊密相關：若使用固體靶,則會濺射殘屑,可能破壞和污染光學系統和試樣；但氣體靶的轉換率又較低[4]。第三種方法為同步輻射。其基本原理是當電子以接近光速的速度在電磁場中運動并發生偏轉時,在切向方向會發出電磁輻射。這種電磁輻射的波長范圍可以通過控制電子速度和磁場強度進行調制,使發射的電磁輻射主要為X 射線波段。同步輻射光源的技術主體是電子儲存環,在40 余年來共進行過三代的開發。第一代是為高能物理研究而研制的,只是“寄生”地利用從偏轉磁鐵引出的同步輻射光,故又稱“兼用光源”；第二代設計是專為使用同步輻射光而設計的,主要通過偏轉磁鐵引出同步輻射光；而第三代則對電子束發散度和插入件進行了優化設計,是能產生高亮度準單色光的基于電子儲存環的專用機。同步輻射光具有頻譜寬且連續可調（具有從遠紅外、可見光、紫外直到X 射線范圍內的連續光譜）、高亮度、高準直度、高偏振性以及高穩定性等良好特性[5]。最后一種方法即為自由電子激光,本研究將在接下來的部分進行詳細介紹。

1.2 自由電子激光裝置及其原理

自由電子激光(free-electron laser,簡稱FEL)是一種使用相對論電子束通過周期性變化的磁場以受激輻射方式放大電磁波的新型強相干光源,通常由加速器、放大（波蕩）器和光束線站系統三部分組成,其典型結構見圖1。按照放大增益,可將自由電子激光分為低增益和高增益兩種放大機制的自由電子激光：低增益自由電子激光的放大器部分由波蕩器和光學諧振腔組成；高增益自由電子激光的放大器僅由波蕩器或外加常規種子激光系統組成。

圖1 自由電子激光基本結構

第一部分通常為產生高速自由電子激光的直線加速器,由電子槍和主加速器所構成,電子槍給系統供給質量極佳的電子束,而主加速器則將此電子束加速至科研所要求的能量并保持其束流性能不退化[6]。

被加速的電子束隨后便進入到波蕩器中,也是自由電子激光器的核心部分。其原理為：當電子束在經過一對由N 極和S 極構成的偏轉磁鐵時,會沿著其圓周運動軌道的切線方向發射出波長在一定范圍內連續分布的同步輻射。而波蕩器是由一系列N 極和S 極交替排列的磁鐵組成,假設磁場變化的周期為 λw。當經加速的電子沿圖2 所示的Z 方向射入扭擺磁鐵區時會在洛侖茲力的作用下在X-Z 平面內波浪形擺動,并釋放出電磁輻射,即同步輻射。在特定條件下處于不同位置向Z 方向發射的電磁波可以有相同的相位,并且還能夠從電子束中獲得能量,使它們的能量得以增加,這個條件為相干和受激放大條件。那么在自由電子激光器中是怎么實現這兩個條件的呢[7]？

圖2 波蕩器裝置原理

圖3 相干條件示意

上式便為實現相干的條件。當電磁波沿Z 方向發射時 θ=0,帶入相干條件為

接下來要介紹自由電子激光器是如何將電子束能量放大的,即如何實現受激放大。受激放大的原理為磁場中沿Z 方向產生的同步輻射光和電子相互作用,使電子動能在相互作用中減小,進而使同步輻射光能量增加,達到受激放大的效果。根據能量守恒定律,單位時間內電場對電子所做功和電子能量變化的關系如下

其中E 為同步輻射光的電矢量,γ 為電子共振能量。

如果v·E對時間的積分大于0,那么電子束的能量減少,同步輻射的能量增加,即實現了受激放大。當同步輻射光和電子在X-Z 平面運動時,同步輻射光沿X 方向來回振動,且每隔半個波長改變一次振動方向。電子行動半個磁場變化的空間周期時,其沿X 方向的速度也改變一次。為了保證受激放大,即v·E 大于0,當電子沿Z 方向走過磁場變化的空間周期時,同步輻射光應該比電子多走半個波長或者其奇數倍,見圖4。圖4 上部分為電子速度方向示意圖,下部分為同步輻射光的電矢量的示意圖。

圖4 解釋實現受激放大必須滿足“半波長”

由此修改相干條件為既滿足相干又滿足受激放大的條件為

其中n'只能取奇數。令n'=1,可得

其中aw為波蕩器參數；Bw為扭擺磁場的強度；λl為自由電子激光的波長,它與電子共振能量有關。由式（6）可得激光的波長由電子共振能量和波蕩器的磁場強度與振蕩周期決定。查閱文獻可得,自由激光器輸出的輻射即可覆蓋第三代同步輻射光源廣闊的光譜范圍,同時又具備常規激光的相干性和超高亮度與飛秒級超短脈沖的特質,并具有按照需求確定時間結構的優異特性。與典型的第三代同步輻射光源相比,X 射線自由電子激光的峰值亮度高9 個量級,光脈沖短3 個量級,相干性提高3 個量級以上[6],可以說自由電子激光突破了常規激光的瓶頸,也讓由此方法產生的X 射線也有了更廣闊的應用領域。

2 X 射線自由電子激光的應用

上述利用FEL 技術產生X 射線的技術就是2022年的科學前沿：X 射線自由電子激光 (X-ray Free Electron Laser,簡稱XFEL),由此產生的激光以其超高亮度、超短的脈沖時長和極佳的相干特性等同步輻射光源所不具備的突出優勢,在物理、化學、生物、材料等前沿領域有創新開拓,不可替代的應用前景。

2.1 物理學

從100 多年前量子力學的誕生到現代層出不窮的量子材料,對微觀世界的認識直接推動了物理學的革命和人類社會的發展,微觀探測手段的發展則是其中的關鍵一環。而X 射線是對探索物質內部奧秘最直接手段之一,它不但可以精確測量晶體結構,而且還可以分辨物質中電子結構、以及多種量子序和集體激發。但隨著科學的發展,人們對微觀的要求也在不斷推進,對X 射線的要求也在不斷提高。由于物質中電荷與自旋的激發和弛豫時間尺度為幾百飛秒量級以下,因此若要分辨原子尺度電子行為的超快過程必須要求達到飛秒水平的探測手段,這一量級在21 世紀之前都是天方夜譚。但XFEL 裝置的出現打散了這個長期籠罩的技術烏云。X 射線自由電子激光裝置的超短脈沖寬度小于100fs,且每個脈沖有高達1012的相干光子,并可以進行相干成像,因此能夠在原子尺度上對物質進行超快探測,完成了由對微觀世界從“拍照片”到“拍電影”的巨大飛躍,也完成了諸多物理研究的飛躍。

在凝聚態物理研究領域,基于X 射線自由電子激光的衍射、相干成像、譜學等方法為探測原子尺度的動態復雜過程帶來真正的可能性,為進一步的探索應用提供了方向。2013 年,Graves 等人利用自由電子激光衍射手段,結合X 射線磁圓二色性能譜(XMCD)測量了GdFeCo 材料對激光的響應,首次在納米尺度實現了對非平衡磁學過程的超快探測,得到的結果為調控磁性微結構中的超快過程及實現更快的自旋器件提供了實驗依據[9]。2015 年,Gerber 等人利用美國直線加速器相干光源(Linac Coherent Light Source,簡稱LCLS)的超快X 射線散射手段和脈沖強磁場的結合,首次研究了在強磁場下銅氧化物超導體中的條紋相電荷有序態。這一研究解釋了以往通過核磁共振實驗和X 光散射在銅氧化物中觀察到的電荷密度波不同,有助于建立起銅氧化物超導體完整的圖像[9]。XFEL 在非線性光學中的應用也同樣出色,其產生的超高亮度X 射線波段激光,使得首次可以對這個波段的非線性過程展開研究,也使很多光學新現象出現在研究者們的眼前,如X 射線波段混頻效應,倍頻效應和反常非線性X 射線康普頓效應等。

2.2 化學

相比于簡單的X 射線光譜,由XFEL 裝置產生的X 射線光譜主要的優勢是,其可以探測時間尺度更短、發生過程更快的反應或者過程。這些特性為化學家們研究化學反應的具體過程提供了有力的研究工具,也為大量的理論研究找到了實驗依據。2015 年,Adachi 和Ihee 等人利用XEFL 生產的飛秒級X 光散射成功觀察到了Au-Au 鍵在水溶液中的形成過程,Canton 等人也利用飛秒級X 射線發射譜和X 光散射觀察到了因分子內部電荷轉移而引起的非平衡態動力學全過程[10]。2017 年,Mara 等人在美國LCLS 自由激光設備中利用飛秒X 射線脈沖,通過對亞鐵細胞色素c 中Fe-S 鍵的光譜探測,觀測了Fe-S 鍵的光解過程。并通過實驗確定該鐵硫鍵的焓值比沒有蛋白質限制的鐵硫鍵要高4 kcal/mol 左右,成功驗證了生物系統是通過改變化學鍵的熵狀態來調節其化學功能的[10]。

2.3 生命科學

X 射線以其極短的波長,強穿透能力很早就被應用于生物大分子成像技術中。其原理為利用電子對X射線的散射后的強度分布函數能夠研究材料和分子的精密內部結構,即對樣品內部進行高分辨率的成像。在XFEL 尚未問世時,X 射線對生物大分子帶來的輻射損傷是限制成像分辨率極限的重要因素。雖然通過結晶或超低溫測量等手段有效地緩解了這一問題,但對于無法結晶的生物大分子科學家們也束手無策。然而Neutze 等人在2000 年發表在《自然》上的論文中根據動力學模擬的結果提出使用超短強激光下可以實現損傷前探測的想法。這一猜想很快就被科學家們在德國DESY 和美國LCLS 這兩臺自由電子激光設施上開展的實驗證實。由這兩臺XEFL 裝置產生的飛秒級超短X 射線脈沖都可以在樣品被完全電離前產生相干衍射圖像,極大幅度降低甚至避免了輻射損傷對成像的影響[3]。

2.4 材料科學

XFEL 的成像技術除了在生命科學領域有著廣泛應用之外,在材料科學也能夠大展拳腳。在該領域,XFEL 技術的魅力不僅在于其超短的脈沖,更在于其結合超高亮度而產生的可以探測超快微觀結構動力學過程的能力。其甚至還可以進行相干成像從而在納米尺度上反映研究材料的三維結構信息[11]。2010 年,Boeglin 等人利用時間分辨X 射線磁圓二色性方法研究了Co/Pd 合金材料在激光激發后磁矩的超快動力學過程,研究了軌道磁矩和自旋磁矩各自不同的動力學[8]。2013 年,Clark 等人利用超快X 射線相干衍射方法首次實現了單個金納米晶體的三維成像和受紅外光激勵后形變演化過程的探測,對理解納米顆粒晶格動力學和催化功能具有重要意義[10]。

3 總結與未來展望

自XEFL 問世以來,其生產的X 射線以其超高亮度、飛秒級的脈沖時長和極佳的相干特性在凝聚態物理、化學、結構生物學、醫學、環境保護等多學科有著廣泛的應用,由此也吸引了世界各國科學界將大量人力和資金投入到了對XFEL 裝置的建設中,如目前我國在調試的上海軟X 射線自由電子激光裝置(SXFEL)。但即使科學家們對XEFL 趨之若鶩,世界上現存的XEFL 裝置仍是屈指可數,這足以說明其建設和優化的難度,也帶來了新的科學研究方向。如何得到更高的峰值功率和更短的脈沖時間,如何得到高重復頻率FEL 裝置等問題都是亟待研究的熱門方向。總之,XEFL 是一項存在無限可能性的技術,而我們也是不斷發展的青年。在對XEFL 進行展望時,我對這項技術的興趣和向往也在不斷提升,我相信XEFL 將在未來繼續將微觀世界的奧秘展現在人類面前,不斷在更多更新的領域開疆擴土。