在廣東省深圳市的光明科學城，中國科學家們正在建設全球最尖端的大科學裝置——深圳中能高重復頻率X射線自由電子激光大科學裝置（Shenzhen Superconducting Soft-X-ray Free Electron Laser，以下簡稱“自由電子激光裝置”）。

建成后的自由電子激光裝置，其建筑外觀猶如竹筍拔節，又如寶劍出匣。這條長達1.7公里的“科創光劍”可不是科幻電影里的星際通道，而是中國自主研發的探秘原子和分子動態變化的“超級高速攝像機”。它具有超亮、超快、超高空間分辨、高重復頻率等特點。

自由電子激光裝置建成后的效果圖（圖片來源：上海建筑設計研究院有限公司）

Part.1

自由電子激光裝置厲害在哪兒？

它究竟有多亮？自由電子激光裝置的峰值亮度可以達到太陽光100億倍的100億倍。如此高的亮度，使得即使極少量的分子或原子也能被高效探測。

它究竟有多快？該裝置能提供飛秒級的時間分辨率，如同具備飛秒級快門的超高速攝像機，可以記錄飛秒量級時間內分子發生的變化，可以精確而深入地研究自然界的許多超快動力學過程，實現為分子“拍電影”。如此快的高強度 X 射線激光脈沖，使得可以在生物大分子被輻射損傷破壞之前得到其結構信息，實現“損傷前探測”。飛秒（femtosecond）是標衡時間長短的一種計量單位。1飛秒是1秒的一千萬億分之一。光（每秒飛行30萬千米）在 1 飛秒內也只能向前傳播約 0.3 微米（μm），這個距離甚至不到一根頭發絲的百分之一。

它的空間分辨率究竟多高？自由電子激光裝置的空間分辨率可達納米量級，如同一臺能夠看清楚納米世界的超級顯微鏡，可以讓科學家更清楚地了解微觀世界。納米是長度計量單位，1納米（nm）等于10億分之一米。1納米有多小呢？一根頭發的直徑大約是0.05毫米，把它徑向平均剖成5萬根，每根的厚度大約就是1納米。病毒的大小約是幾十納米，DNA分子直徑約為2納米。化學反應中不可再分的基本微粒，也就是原子的直徑是0.1納米。

它的重復頻率究竟多高？該裝置的重復頻率可達1 百萬赫茲（MHz），可以理解為1 秒內產生1000000次閃光，而家用電燈泡1 秒內只有50次閃光。高重復頻率意味著單位時間內可產生更多的X射線脈沖，從而顯著提高平均光子通量，大幅縮短實驗數據采集時間，提高實驗效率，滿足多用戶同時使用。

綜上，自由電子激光裝置所具有的超高亮度、超高空間分辨、超快時間分辨、以及高重復頻率等特點，使其成為探索微觀世界和超快動力學過程的研究利器。

Part.2

自由電子激光裝置的建設為什么如此重要？

X 射線自由電子激光(X-ray Free-electron Laser，簡稱 XFEL)是一種利用相對論電子束團為工作媒介、在周期磁場中產生高亮度、超短X射線脈沖的新型強相干光源。XFEL是一種超快X射線光源，具有相干性好、峰值亮度高、輻射脈沖短、波長可調諧等優點。

深圳自由電子激光裝置的出光波長范圍為1-30 nm，覆蓋極紫外到軟X射線波段，平均功率可達到百瓦甚至千瓦。其建設填補了我國高重復頻率自由電子激光裝置在該波段的布局缺失。

此外，該裝置的建設有助于在我國建立起由南到北的先進自由電子激光裝置群，形成地域上遙相呼應，能區上相互補充的完美格局，可為物理、化學、生物、醫藥、材料、能源、環境等領域提供最先進的大科學實驗平臺。

Part.3

為什么自由電子激光裝置需要設計為1.7公里長呢？

該裝置的長度為1.7公里，主要有以下三個原因：

第一，其電子槍及超導直線加速器段長約750米。因為它需要利用直線加速器來加速電子，讓它們達到高能量。直線加速器越長，直線加速器中的加速結構（如射頻腔）越多，則電子獲得的能量越高。它最終能將電子加速至約2.5 GeV（十億電子伏特）。

第二，其束流分配段和波蕩器段的長度約為600米。電子束經束流分配段進入波蕩器后，在周期性磁場作用下發生橫向振蕩，產生輻射。波蕩器長度必須足夠長，才能確保電子束產生能量和密度調制，從而實現自由電子激光產生指數增益，直到飽和的過程。

第三，其線站段的長度約為350米。在光束線區域需長距離布控光學系統，以滿足高能X射線自由電子激光的傳輸、分配、診斷及操縱的需求。末端部署多個獨立實驗終端以確保不同科學用戶開展原創性的科學研究。

Part.4

自由電子激光裝置的關鍵部件及工作原理

（1）超導直線加速器：將電子束團加速到高能量狀態

在電子槍中，紫外驅動激光激發碲化銫（Cs2Te）光陰極（一種半導體光電發射材料）表面，產生1 MHz重復頻率的高亮度電子束團。電子槍中產生的高品質電子束團在超導直線加速器中被加速至接近光速，超導加速器采用連續波工作模式，將電子束團能量由90 MeV（兆電子伏特）提高到2.5 GeV。

超導直線加速器示意圖（圖片來源：深圳先進光源研究院）

（2）波蕩器：高能電子束團在此輻射出高品質自由電子激光

波蕩器由一系列N極和S極交替排列的磁鐵陣列構成，是一種能夠產生周期性空間分布磁場的裝置。高能電子束團經過波蕩器時，電子在洛倫茲力作用下做周期性擺動，從而產生自發輻射。以自放大自發輻射（SASE）運行模式為例，電子束團在波蕩器中做扭擺運動，在其前進方向上自發地發射電磁輻射，輻射場與電子束相互作用，使電子束產生能量調制，并進一步使電子束形成以輻射波長為周期的密度調制（也稱微群聚），電子束團內部的微群聚現象能夠加強輻射場的產生，輻射場的加強進一步促進微群聚形成，進而形成正反饋，使輻射場能量得到指數增長，最終產生高品質自由電子激光脈沖。通過合理選擇電子束和波蕩器的參數，可在不同波長實現共振，實現輻射波長連續可調。

波蕩器示意圖（圖片來源：深圳先進光源研究院）

（3）線站：線站是光束線和實驗站的合稱。

光束線是連接自由電子激光光源和后端科學實驗站的橋梁。它的作用是對光源發出的自由電子激光脈沖進行聚集、分束、衰減、準直、單色化、以及診斷等操控，并高效地傳輸至實驗站。實驗站作為該裝置的終端，是科學家們開展信息技術、量子材料、能源催化、生物醫藥、星際科學、原子分子科學等領域研究的實驗平臺。

線站示意圖（圖片來源：深圳先進光源研究院）

Part.5

自由電子激光裝置的前沿應用及展望

自由電子激光裝置實驗站以面向國家重大需求、聚焦科學前沿和引領地區產業發展為建設宗旨，重點探究信息技術、量子材料、能源催化、生物醫藥、星際科學、原子分子科學等領域的關鍵技術和科學難題。

在信息技術領域，基于該裝置開展信息材料制備、檢測、標定、服役評估等工作，攻關信息材料相關關鍵技術，可為我國信息產業技術的自主可控發展奠定堅實的科學技術基礎。

在量子材料領域，依托該裝置，可實現量子材料電子態和結構動態的直接測量，推動無能量耗散電子器件、自旋電子學信息傳輸和存儲器件的研發。

在能源催化領域，基于該裝置開展高靈敏度元素分析、中間產物原位探測、催化反應中反應物到產物、催化活性中心結構的動態演變，可多角度、全方位開展能源領域催化材料在實際工況條件下的原位動態研究，發現提升催化效率的關鍵因素，發展能源相關的高效催化劑，推動碳資源高效利用以及新型清潔能源開發。

在生物醫藥領域，依托該裝置，開展蛋白質等復雜生物分子在重大疾病發生和治療過程中的組成和結構變化研究，可為基礎生物學過程研究、病理機制研究和調控、重大疾病診斷標志物檢測、靶向藥物開發等提供前沿技術支撐。

在星際科學領域，依托該裝置，模擬星際分子演化和生命起源的過程，進而探索星際分子光化學、生命分子光合成、星際分子光譜和光化學過程，可研究星云和行星演化與生命起源相關過程。

在原子分子科學領域，依托該裝置，開展超高精密光譜研究，實現原子、分子的高效激發，可顯著提高原子或分子精密光譜的測量精度，為量子科技的發展以及化學科學前沿提供新思路和新機遇。

Part.6

結語

該裝置所產生的X射線激光脈沖具有極高峰值亮度、高平均亮度、超短和高相干等特性，將顯著提升科學研究的時間分辨率和空間分辨率，能夠促進對微觀世界的研究能力，達成從拍“分子照片”到拍“超高清分子電影”的突破。

該裝置可為科學家和企業用戶提供一種具有超高時間分辨、空間分辨和能量分辨的新方法、新技術，將集聚世界前沿和原創性科學技術及產業研發，促進我國戰略性新興產業創新發展和關鍵儀器設備國產化、突破我國戰略性新興產業技術瓶頸、構建具有國際競爭力的戰略性新興產業集群。從基礎科學研究到產業應用，該裝置將推動我國在半導體、綠色能源、功能新材料、生物醫藥與精密測量等領域的蓬勃發展，助力深圳發展成為世界頂尖科技重鎮。同時，作為重要的科普教育基地，該裝置將成為展示我國科技實力、提高全民族科學素質和民族自信的重要宣傳窗口。

出品：科普中國

作者：張麗媛（深圳先進光源研究院）、Denovo團隊（楊超）

審核：楊川（深圳先進光源研究院）

監制：中國科普博覽

本文僅代表作者觀點，不代表中國科普博覽立場

本文首發于中國科普博覽（kepubolan）

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