Volume 3 Issue 4 will be published on Jul 12, 2022.   A Cell Press partner journal
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X射线自由电子激光的发展与未来

X射线自由电子激光是基于电子直线加速器的新一代光源可以产生超高亮度、超短的X射线脉冲。在物理、化学、能源、生命科学、材料科学等领域有重要和广泛的应用。本文概述了X射线自由电子激光的基本原理和工作模式;介绍国内外相关大科学装置的建设情况;展示其在众多前沿学科领域的重要应用;讨论未来的发展方向和主要挑战。



自由电子激光(FEL)通过电子束团在周期性磁场(波荡器)的摇摆飞行,将电子束团动能转换为光能。因此,理论上FEL发光和放大只依赖于电子束团和波荡器。这个特性让FEL拥有了三个独特的优点:1)输出性能由电子束团品质决定,理论上不存在绝对上限;2)输出波长连续可调,可以在太赫兹到X射线的任意波段输出;3)光束性质可通过操纵电子束团来深度定制。目前,X射线FEL装置有三种工作模式,分别为:可以自起振的自放大自发辐射模式(图1A)、通过种子激光倍频到短波的外种子模式(图1B)、基于X射线光腔的振荡器模式(图1C)。其中,自放大自发辐射模式是目前X射线FEL运行的主要方案。

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图1 (A)自放大自发辐射模式;(B)外种子模式;(C)振荡器模式。


与典型的第三代同步辐射光源相比,X射线FEL的峰值亮度提高了10亿倍脉冲宽度下降到了飞秒(10-15 s)量级,并且相干性有了巨大的提升。这些特性突破了常规同步辐射光源的限制,让X射线FEL成为探索微观世界的理想工具,也是目前众多前沿学科最先进的研究平台。例如,X射线FEL的超快超强特性极大地推动了串行晶体学和单颗粒成像技术的发展,开启了蛋白质结构的微晶解析和超快动力学研究的新纪元(图2)。

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图2 LCLS单颗粒实验的示意图


目前,国际上已先后有7台X射线FEL装置建成并投入运行,另有3台正在建设中(图3)。在国内,上海软X射线自由电子激光(SXFEL)试验装置实现了8.8 纳米波长放大出光,并于2020年11月完成了国家验收。建设中的SXFEL用户装置覆盖整个水窗波段,最短波长2纳米,预计今年开始首批用户实验,目前正在调束调光。

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图3 国际上X射线FEL装置建设路线图


上海高重复频率硬X射线FEL 装置(SHINE)已于2018年4月动工建设,计划2025年出光并开始科学实验。SHINE首期将建设三条波荡器线,覆盖0.4 ~25千电子伏特的光子能量范围,X 射线脉冲重复频率最高可达1兆赫兹。未来,SHINE一个典型的科学应用是通过XFEL与超强激光对撞(图4),从而探索真空的本质。

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图4 X射线与超强激光对撞示意图



总结和展望

为了进一步满足用户需求,X射线FEL正朝着全相干更短脉冲(阿秒,10-18s)和更高功率(太瓦,1012W)的方向发展。不久的将来,基于超导直线加速器的X射线FEL将实现连续波运行,连续波运行带来的科学和技术挑战,需要发展新的物理机制来解决。X射线FEL的物理和相关技术,将为未来的同步辐射光源带来启示和革新。此外,激光等离子体尾波场等高梯度加速技术的出现,将加快XFEL装置的小型化发展。


原文链接:https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00022-9




作者简介


邓海啸,中国科学院上海高等研究院研究员,博士生导师。主要从事自由电子激光物理与实验研究,长期参与我国自由电子激光大科学装置建设。主持国家自然科学基金重点项目和国家重点研发计划项目,先后获得自由电子激光青年科学家奖(The Young Investigator FEL Prize),上海市自然科学一等奖。


赵振堂,中国科学院上海高等研究院研究员,中国工程院院士,博士生导师。长期从事粒子加速器研究与装置研制工作,作为主要负责人承担和完成多项大科学装置项目、863和973项目等。先后获得国家科技进步一等奖(集体奖)、上海市科技进步特等奖、中国科学院杰出成就奖、上海市自然科学一等奖。


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