硬X射線自由電子激光：揭示微觀世界的奧秘

自從1960年美國(guó)物理學(xué)家西奧多 · 梅曼（Theodore H. Maiman）發(fā)明世界上第一臺(tái)紅寶石激光器以來(lái)，激光被廣泛應(yīng)用在材料、物理、生物以及化學(xué)等領(lǐng)域的研究，并且已經(jīng)深入到了生活的方方面面。例如，我們現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)就是使用特定波段的激光在光纖中以光速傳遞信息。此外，自動(dòng)駕駛中的激光雷達(dá)、手機(jī)顯示屏中的量子點(diǎn)激光、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）中的全息投影以及美國(guó)正在進(jìn)行的“星鏈”系統(tǒng)都依賴激光。目前激光器通過(guò)使用不同的激光材料以及光學(xué)非線性效應(yīng)覆蓋了紫、紅外甚至太赫茲波段，但對(duì)于物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探測(cè)以及微納加工層面來(lái)說(shuō)則需要使用更短的波長(zhǎng)。例如手機(jī)和電腦芯片就需要采用極紫外（EUV，13.5 nm）光源進(jìn)行制造，因?yàn)楦痰牟ㄩL(zhǎng)可以穿透更厚的樣品，從而能深入物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)做各種檢測(cè)。也因此，EUV、軟X射線、硬X射線的發(fā)展成了世界高科技競(jìng)爭(zhēng)的又一角逐場(chǎng)。

硬X射線的產(chǎn)生

EUV波段指電磁波波長(zhǎng)在10～121 nm之間，軟X射線和硬X射線分別指波長(zhǎng)在10 nm以下和1 nm以下的電磁波。那么科學(xué)家們?yōu)槭裁匆l(fā)展短波長(zhǎng)光源呢？首先，物質(zhì)對(duì)光波的吸收會(huì)隨著波長(zhǎng)的縮短而降低，因此短波長(zhǎng)的光波可以更深穿透物質(zhì)。以硅材料為例，軟X射線只能穿透100 nm左右厚度的組織，而硬X射線則可以穿透數(shù)十微米的組織，這就使得更短波長(zhǎng)的光源在物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測(cè)上具有天然的優(yōu)勢(shì)。其次，對(duì)于成像系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其分辨率受到阿貝極限的限制。阿貝極限由德國(guó)物理學(xué)家恩斯特 · 阿貝（Ernst Abbe）在1873年提出。由阿貝極限可知，空間分辨率與光波波長(zhǎng)成正比，因此更短的波長(zhǎng)可以實(shí)現(xiàn)更小的可分辨尺寸、更高的空間分辨率，這也就是為什么芯片的光刻機(jī)使用的光源波長(zhǎng)逐漸降低。理論上對(duì)于硬X射線光源，其衍射極限分辨率可以達(dá)到納米以下，已經(jīng)接近單個(gè)原子的大小，因此更短波長(zhǎng)的光源，例如硬X射線的發(fā)展有望真正實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)原子的檢測(cè)，也是進(jìn)入物質(zhì)內(nèi)部做微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)的必備手段。目前，硬X射線的產(chǎn)生方式主要有以下幾種。

X射線管? X射線管是最常見(jiàn)和常用的硬X射線產(chǎn)生方式。它由一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極組成，通過(guò)在陰極上加高電壓，使得電子從陰極發(fā)射出來(lái)，然后加速到陽(yáng)極。當(dāng)高速電子撞擊陽(yáng)極時(shí)，會(huì)產(chǎn)生X射線輻射。這種方式產(chǎn)生的硬X射線主要是由電子與陽(yáng)極金屬相互作用而發(fā)生的特征X射線輻射。

同步輻射? 同步輻射是一種利用電子在加速器中進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生高能量X射線輻射的方法。當(dāng)高能電子通過(guò)磁場(chǎng)加速器時(shí)，會(huì)在彎曲磁場(chǎng)中發(fā)生彎曲運(yùn)動(dòng)，受到洛倫茲力的作用，產(chǎn)生向外的離心力。根據(jù)洛倫茲力的作用，電子加速和彎曲的過(guò)程中會(huì)發(fā)生加速度變化，從而產(chǎn)生輻射能量。這種輻射被稱為同步輻射，產(chǎn)生的輻射范圍包括從紅外到硬X射線的廣泛光譜。這種方式產(chǎn)生的硬X射線具有較高的亮度和窄的頻譜帶寬，常用于高分辨率結(jié)構(gòu)研究和材料分析等領(lǐng)域。

X射線自由電子激光器（XFEL）? XFEL是一種新型的硬X射線產(chǎn)生技術(shù)，其核心是一個(gè)高能量的自由電子束，這些自由電子通過(guò)線性加速器或環(huán)形加速器進(jìn)行加速，加速器會(huì)給電子施加高電壓，使其獲得足夠的能量和速度，之后電子進(jìn)入波蕩器中，使得電子束在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生周期性運(yùn)動(dòng)，電子束中的電子會(huì)發(fā)生賽弗-博林共振，即電子的運(yùn)動(dòng)與入射電場(chǎng)的頻率相匹配，使得電子開(kāi)始發(fā)射相干輻射，通過(guò)在波蕩器中的自放大自發(fā)輻射（SASE）過(guò)程放大，可以使輻射與電子束的相干性得到增強(qiáng)，這種方式產(chǎn)生的硬X射線具有極高的亮度和超短的脈沖寬度，可以用于超快時(shí)間分辨實(shí)驗(yàn)和高分辨率成像等領(lǐng)域。

等離子體X射線? 通過(guò)激光、高電壓脈沖或加熱等方式將原子或分子中的電子從束縛態(tài)中解離出來(lái)，形成等離子體。在等離子體中，正離子和自由電子受到電場(chǎng)和碰撞的作用而加速。這些高速離子和電子相互碰撞，并且在碰撞過(guò)程中，離子會(huì)失去能量，而電子則會(huì)吸收能量。通過(guò)布拉格散射或其他輻射機(jī)制，等離子體中的電子和離子會(huì)產(chǎn)生高能量的X射線輻射。這些X射線具有較高的穿透力和能量，可用于物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、成像和其他應(yīng)用。

相比于其他幾種X射線的產(chǎn)生方式，自由電子激光器可以產(chǎn)生超短、超強(qiáng)和近乎全相干的X射線光源。首先，自由電子激光產(chǎn)生X射線脈沖寬度在100飛秒以下，1飛秒相當(dāng)于10-15秒，這個(gè)時(shí)間尺度已經(jīng)接近原子運(yùn)動(dòng)時(shí)間，因此可以想象為原子在X射線脈沖寬度內(nèi)保持不動(dòng)。就像我們手機(jī)對(duì)汽車照相時(shí)，只有汽車靜止或者低速運(yùn)動(dòng)下才可以得到清晰的圖像，因此對(duì)原子的探測(cè)也需要超快的X射線脈沖才能保證在探測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)原子保持靜止。其次，自由電子激光的單脈沖能量在毫焦耳（mJ）級(jí)，因此脈沖峰值功率可以達(dá)到鈦瓦級(jí)，可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的X光和物質(zhì)的相互作用，這也是同步輻射裝置所不具備的。第三，自由電子激光的產(chǎn)生方式類似于傳統(tǒng)激光器，因此具有真正的高相干性的激光性質(zhì)，可以保證X光束中的光子大部分集中于同一模式，從而顯著提升基于衍射傳輸和干涉測(cè)量的分辨率和精度。

硬X射線自由電子激光裝置

世界上第一臺(tái)硬X射線自由電子激光裝置是由美國(guó)斯坦福線性加速器中心（SLAC）建造的硬X射線自由電子激光器。

直線加速器相干光源（LCLS）于2009年建成，并于2010年開(kāi)始正式運(yùn)行。LCLS采用了一臺(tái)線性加速器作為電子加速器，利用高頻超導(dǎo)技術(shù)對(duì)電子進(jìn)行加速，之后通過(guò)波蕩器產(chǎn)生高度相干、高能量、高亮度的硬X射線激光束。X射線能量范圍覆蓋從軟X射線280 eV到硬X射線10 keV，具有極高亮度和短脈沖寬度（4～500 fs可調(diào)），單個(gè)脈沖能量可以達(dá)到3 mJ，每秒鐘能夠產(chǎn)生120個(gè)脈沖。LCLS的研究能力非常強(qiáng)大，它可以提供高分辨率的成像，用于研究微觀結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)還可以通過(guò)超快時(shí)間分辨研究材料的動(dòng)力學(xué)行為。得益于硬X射線的低吸收性質(zhì)，產(chǎn)生的X射線激光可以穿透厚樣本，使得研究更加全面和深入。自建成之后，LCLS吸引了來(lái)自全球的科學(xué)家前來(lái)進(jìn)行各種研究，并已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域取得了重要的科學(xué)突破，推動(dòng)了材料科學(xué)、生命科學(xué)和物理學(xué)等領(lǐng)域的進(jìn)展。

美國(guó)LCLS-II裝置圖及結(jié)構(gòu)圖

歐洲硬X射線自由電子激光裝置

隨著LCLS裝置的成功，全球各地均開(kāi)始了硬X射線自由電子激光裝置的建設(shè)，例如2011年日本理化學(xué)研究所建成的SACLA裝置，2016年由韓國(guó)浦項(xiàng)加速器實(shí)驗(yàn)室（PAL）建設(shè)的X射線自由電子激光器（PAL-XFEL），同年由瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院建成的瑞士自由電子激光器（Swiss FEL）。這些裝置均運(yùn)行在較低重頻狀態(tài)下（幾十Hz到幾百Hz）。為了進(jìn)一步提升硬X射線自由電子激光的用戶實(shí)驗(yàn)效率，并為研究人員提供更充足的機(jī)時(shí)，各國(guó)均在探索高重頻硬X射線自由電子激光裝置的可行性。2009年歐洲11個(gè)國(guó)家斥資12.2億歐元開(kāi)始了歐洲X射線自由電子激光裝置（European XFEL）的建設(shè)，并在2017年正式投入運(yùn)行。裝置全長(zhǎng)3.4公里，相比于之前的硬X射線自由電子激光裝置，歐洲 XFEL可以每秒發(fā)射多達(dá)27 000個(gè)脈沖，重頻超過(guò)LCLS裝置近200倍，最短X射線波長(zhǎng)0.05 nm，脈沖寬度在10～100飛秒。利用該裝置，科學(xué)家可以在1秒鐘內(nèi)采集超過(guò)3000張X射線圖像，極大地提升了實(shí)驗(yàn)效率。除此之外，美國(guó)SLAC國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在2013年啟動(dòng)了針對(duì)LCLS裝置的升級(jí)改造項(xiàng)目LCLS-II，在2023年正式完工，使得重復(fù)頻率由原來(lái)的120 Hz升級(jí)為驚人的1 MHz，意味著X射線平均亮度提升了近一萬(wàn)倍，裝置每秒可以發(fā)射100萬(wàn)個(gè)X射線脈沖。利用顯著提升的重復(fù)頻率，科學(xué)家之前需要數(shù)月才能采集到的數(shù)據(jù)可以在幾分鐘內(nèi)就完成。LCLS-II的建成將X射線科學(xué)提升到了一個(gè)新的水平，使得科學(xué)家可以以前所未有的分辨率高效地研究復(fù)雜材料的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，甚至可以通過(guò)直接測(cè)量單個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)來(lái)窺視量子力學(xué)世界。

我國(guó)進(jìn)展

由上可見(jiàn)，當(dāng)前自由電子激光裝置已經(jīng)成為基礎(chǔ)科學(xué)研究必備的研究手段，而我國(guó)也在積極發(fā)展自由電子激光裝置。2017年我國(guó)建設(shè)的第一臺(tái)自由電子激光裝置——大連相干光源建成出光，也是世界上唯一工作在極紫外波段的自由電子激光裝置，這一裝置波長(zhǎng)覆蓋50～150 nm，具有完全相干的特性，脈沖寬度可以在飛秒和皮秒之間切換。

2022年，我國(guó)第一臺(tái)軟X射線自由電子激光裝置（SXFEL）在上海正式出光并投入運(yùn)行，裝置由上海科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所和中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院共同建設(shè)，覆蓋了對(duì)于生物成像極為重要的水窗波段（波長(zhǎng)在2.3 nm到4.4 nm范圍的軟X射線波段），填補(bǔ)了中國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的空白。在此波段內(nèi)，在細(xì)胞中占主體的液體水對(duì)X射線的吸收較低，可以認(rèn)為相對(duì)透明，但其他元素對(duì)X射線的相互作用依然十分強(qiáng)烈，因此水窗波段可以用于活體生物細(xì)胞的成像，具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

SHINE裝置規(guī)劃圖

相比軟X射線自由電子激光，硬X射線自由電子激光的應(yīng)用更加廣泛，可以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率以及更厚的材料顯微成像。我國(guó)針對(duì)硬X射線自由電子激光的迫切需求，在2018年投資100億人民幣開(kāi)始建設(shè)高重頻硬X射線自由電子激光裝置（SHINE），項(xiàng)目建設(shè)法人為上海科技大學(xué)。為了達(dá)到自由電子激光高穩(wěn)定性的要求，SHINE裝置位于地下29米，全長(zhǎng)3.11公里，初期計(jì)劃建設(shè)一臺(tái)8 GeV超導(dǎo)直線加速器，3條波蕩器和光束線，10個(gè)實(shí)驗(yàn)站，可以為各國(guó)科學(xué)家提供高空間分辨、高時(shí)間分辨的顯微成像等光譜學(xué)和晶體學(xué)研究手段。SHINE建成之后將成為世界第三臺(tái)高重頻硬X射線自由電子激光裝置（其他兩臺(tái)為歐洲XFEL和美國(guó)LCLS-II），能量覆蓋0.4～25 keV，具備超高峰值亮度和高重頻（1 MHz），使得納米級(jí)超高分辨率和飛秒級(jí)超快時(shí)間測(cè)量成為可能。此外，SHINE裝置還將建設(shè)一臺(tái)100 PW超短超強(qiáng)激光裝置，利用超短超強(qiáng)激光和超高峰值功率硬X射線自由電子激光可以研究強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)（QED），并實(shí)現(xiàn)超高空間分辨和超快時(shí)間分辨。

屆時(shí)在上海浦東張江地區(qū)將齊集幾大X射線大科學(xué)裝置，包括上海同步輻射光源、上海軟X射線自由電子激光裝置和上海高重頻硬X射線自由電子激光裝置，將建成國(guó)際領(lǐng)先的光子科學(xué)研究中心，在光子科學(xué)領(lǐng)域形成美國(guó)-歐洲-中國(guó)三足鼎立的格局，為我國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)的前沿發(fā)展帶來(lái)前所未有的機(jī)遇。

————————

本文作者喬治是上海科技大學(xué)大科學(xué)中心的副研究員。曾在中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、倫敦帝國(guó)理工學(xué)院、美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室從事激光系統(tǒng)和X射線相關(guān)方面的研究