基于先進(jìn)加速器的光子大科學(xué)裝置是探索微觀世界最先進(jìn)的工具之一，可以用于給分子拍攝“照片”。X射線自由電子激光作為最新一代的光子大科學(xué)裝置，可將微觀世界快速變化的過程拍攝成分子“電影”。
過去一年來，這群研制微觀世界“攝像機(jī)”的人——中科院上海高等研究院軟X射線自由電子激光攻關(guān)青年團(tuán)隊(duì)——屢創(chuàng)佳績，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了自由電子激光混合級(jí)聯(lián)放大輸出;提出并驗(yàn)證了相干能量調(diào)制的自放大;實(shí)現(xiàn)了2納米飽和出光，建成了國際上首個(gè)“水窗”波段全覆蓋的軟X射線自由電子激光裝置……
5月3日，這支由中國工程院院士、上海光源中心主任趙振堂帶領(lǐng)的青年團(tuán)隊(duì)實(shí)至名歸，憑借在軟X射線自由電子激光領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)獲得第26屆中國青年五四獎(jiǎng)?wù)?集體)。
軟X射線自由電子激光攻關(guān)青年團(tuán)隊(duì) 受訪者供圖
革命性的研究工具
“軟X射線自由電子激光是目前最先進(jìn)的X射線光源之一，它的研制和調(diào)試面臨著巨大的挑戰(zhàn)。”該團(tuán)隊(duì)骨干成員、中科院上海高等研究院研究員馮超對(duì)《中國科學(xué)報(bào)》說，“去年5月，我們成功實(shí)現(xiàn)了最短波長為2納米的自由電子激光出光放大，之后在去年11月科學(xué)家采用此光源實(shí)現(xiàn)了好于20納米的成像分辨率，這相當(dāng)于能看清1根頭發(fā)絲的三千分之一。”
軟X射線是指波長在10納米到0.1納米之間的X射線，軟X射線自由電子激光可用于觀測(cè)微觀物質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化過程。作為新一代光源，X射線自由電子激光的峰值亮度比第三代同步輻射光源高 10 億至100 億倍;脈沖長度可達(dá)到飛秒量級(jí)，比第三代同步輻射光短 1000 倍，而且相干性更好。
“X射線自由電子激光這種大科學(xué)裝置是當(dāng)前國際上最先進(jìn)的科學(xué)平臺(tái)之一。”該團(tuán)隊(duì)骨干成員、中科院上海高等研究院研究員鄧海嘯告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“它將為物理、化學(xué)、能源、生命科學(xué)等領(lǐng)域提供革命性的研究工具。”
2016年，團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了“十二五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——X射線自由電子激光試驗(yàn)裝置，及上海張江綜合性國家科學(xué)中心首批啟動(dòng)的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——上海軟X射線自由電子激光用戶裝置的研制任務(wù)。
經(jīng)過5年多的建設(shè)和精細(xì)調(diào)試，團(tuán)隊(duì)高質(zhì)量地建成了我國首臺(tái)X射線波段自由電子激光試驗(yàn)裝置。這是我國首個(gè)可以覆蓋“水窗”波段的高增益自由電子激光裝置，該裝置的一系列進(jìn)展表明，我國在X射線自由電子激光裝置研制方面已步入國際先進(jìn)行列。
實(shí)現(xiàn)“水窗”全覆蓋
該試驗(yàn)裝置采用團(tuán)隊(duì)自主提出的EEHG-HGHG混合級(jí)聯(lián)這一先進(jìn)運(yùn)行機(jī)制，并于國際上率先實(shí)現(xiàn)了這一機(jī)制的原理驗(yàn)證，試驗(yàn)裝置于2020年11月通過國家驗(yàn)收，驗(yàn)收專家組一致認(rèn)為，團(tuán)隊(duì)“首創(chuàng)EEHG-HGHG混合級(jí)聯(lián)型FEL的先進(jìn)運(yùn)行模式，其輻射帶寬和中心波長穩(wěn)定性顯著優(yōu)于HGHG-HGHG級(jí)聯(lián)”。
2021年，軟X射線自由電子激光攻關(guān)青年團(tuán)隊(duì)完成了多項(xiàng)里程碑式的成果。1月份，團(tuán)隊(duì)完成基于試驗(yàn)的用戶裝置升級(jí)改造和總體集成;3月，完成直線加速器調(diào)試，之后又以國際上少有的速度相繼實(shí)現(xiàn)了5.6納米、3.5納米、2.4納米和2.0納米自由電子激光的出光放大，并實(shí)現(xiàn)了“水窗”波段全覆蓋，且輸出性能優(yōu)異，成為全球僅有的3臺(tái)軟X射線自由電子激光裝置中，最早覆蓋“水窗”波段的裝置。
“波長在2.3納米到4.4納米范圍內(nèi)，水對(duì)X射線是透明的，但構(gòu)成生命的其他重要元素，例如碳等，仍會(huì)與X射線相互作用。”馮超解釋說，“因而，水窗波段的X射線可用于活體生物細(xì)胞顯微成像等，具有極其重要的科學(xué)應(yīng)用價(jià)值。”
軟X射線自由電子激光中控室調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)。 受訪者供圖
支部建在中控室
“這支年輕的隊(duì)伍對(duì)于自己承擔(dān)的研制任務(wù)有自豪感、有執(zhí)行力，有創(chuàng)新意識(shí)。”趙振堂說，“該裝置最初的定位是進(jìn)行世界最前沿探索，采用自由電子激光裝置中最先進(jìn)、也是最復(fù)雜的運(yùn)行模式。而如何建設(shè)一個(gè)穩(wěn)定的自由電子激光裝置，不僅是對(duì)團(tuán)隊(duì)的重大挑戰(zhàn)，更是國家賦予團(tuán)隊(duì)的歷史使命。”
在實(shí)驗(yàn)裝置調(diào)試階段，團(tuán)隊(duì)成立了以加速器物理和關(guān)鍵硬件系統(tǒng)組成的調(diào)束攻關(guān)小組，制定了周密的調(diào)試計(jì)劃和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)里程碑，盡快實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間協(xié)同工作。
攻關(guān)小組負(fù)責(zé)人，中科院上海高等研究院研究員劉波說：“裝置建設(shè)5年來，團(tuán)隊(duì)成員幾乎全部放棄了休假，以‘困難迎頭上’‘問題不過夜’的態(tài)度，充分利用一切可以利用的時(shí)間解決問題，提高裝置調(diào)試效率。”
作為一個(gè)500多米長的“大塊頭”，軟X自由電子激光裝置的實(shí)驗(yàn)調(diào)試極其復(fù)雜，其過程涉及數(shù)千個(gè)變量，任何一個(gè)變量出現(xiàn)問題，都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。項(xiàng)目建設(shè)伊始，一些設(shè)備尚不穩(wěn)定，研究人員在無數(shù)次調(diào)試中發(fā)現(xiàn)：一方面停機(jī)恢復(fù)后電子束狀態(tài)變化明顯;另一方面，白天外部環(huán)境等引起的地基微震動(dòng)和電網(wǎng)波動(dòng)，都會(huì)影響調(diào)試結(jié)果。
因此，該團(tuán)隊(duì)決定全天不停機(jī)，每天兩班倒。通常經(jīng)過兩三天調(diào)試穩(wěn)定后，研究人員會(huì)利用凌晨0點(diǎn)至5點(diǎn)間最穩(wěn)定的時(shí)段開展實(shí)驗(yàn)。
隨著疫情發(fā)展，上海光源園區(qū)面臨封控，這給調(diào)試任務(wù)帶來了巨大挑戰(zhàn)。面對(duì)這一情況，團(tuán)隊(duì)將“支部建在中控室”，迅速組建攻堅(jiān)小組返回園區(qū)，進(jìn)行全封閉連續(xù)攻堅(jiān)。
3月27日，光源迎來短暫的輪換窗口期，此時(shí)值班人員已經(jīng)堅(jiān)守了10天時(shí)間，但他們毫不猶豫做出了選擇：開車回家，接過家人準(zhǔn)備的衣物，連車都沒有下，就掉頭返回光源繼續(xù)工作。
“團(tuán)隊(duì)有27人，其中35歲以下占比63%。”該團(tuán)隊(duì)骨干成員，中科院上海高等研究院研究員張猛說，“這是群把自己交給自由電子激光事業(yè)的‘追光人’，大家在問題面前不畏縮、不逃避，充分利用一切條件解決問題。面對(duì)疫情，有人在一線值守40多天，有人將新婚不久的妻子留在家中，充分體現(xiàn)了‘上海光源精神’中的奉獻(xiàn)精神。”
在疫情期間，該團(tuán)隊(duì)又實(shí)現(xiàn)國際上波長最短的回聲型自由電子激光出光放大和首個(gè)反漸變型波蕩器增強(qiáng)的諧波自種子自由電子激光出光放大。這些成果標(biāo)志著裝置整體性能達(dá)到國際一流水平，標(biāo)志著我國在X射線自由電子激光研制和使用方面已步入國際先進(jìn)行列。
