中國(guó)科學(xué)院院士、南方科技大學(xué)理學(xué)院院長(zhǎng)、廣東院士聯(lián)合會(huì)會(huì)員楊學(xué)明博士在接受媒體采訪時(shí)表示，深圳中能X射線自由電子激光裝置(X-rayFreedom-electronLaser,XFEL)有望在2026年建成投用。據(jù)悉，目前楊學(xué)明院士正在幫助深圳規(guī)劃建設(shè)中能XFEL，這也是深圳大科學(xué)裝置建設(shè)中極其重要的一環(huán)。
其實(shí)，不只是深圳想要這一裝置。2015破土開(kāi)工的上海軟X射線自由電子激光裝置(SXFEL)已于今年5月通過(guò)測(cè)試，達(dá)到了項(xiàng)目指標(biāo)，而規(guī)模更大、更為先進(jìn)的XFEL也已經(jīng)開(kāi)工。
海外，美國(guó)已于2009年建成了世界上第一臺(tái)硬X射線自由電子激光裝置(XFEL)，其升級(jí)加強(qiáng)版預(yù)計(jì)將在明年建成使用;歐洲也在2017年啟用了目前全球最大的XFEL，該項(xiàng)目涉及11個(gè)國(guó)家。
讓這么多國(guó)家趨之若鶩的XFEL究竟有何魔力?
XFEL就相當(dāng)于是人類在微觀世界的高速攝像機(jī)!20世紀(jì)，人類學(xué)會(huì)了利用X射線，人類的認(rèn)知得以穿透物質(zhì)，進(jìn)入到內(nèi)部世界。
但是，想要再深入微觀世界，比如了解電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)光源的要求更高，人類目前觀測(cè)到的只是一團(tuán)混沌的軌跡。
人類對(duì)深層次微觀世界觀測(cè)的無(wú)力在科幻作品中也有所體現(xiàn)。在《三體》中，三體人通過(guò)智子來(lái)破壞人類的高速加速器運(yùn)行，從而阻止人類對(duì)物質(zhì)深層的研究，眾多科學(xué)家也失意而終。有了XFEL，這樣的問(wèn)題就能得到解決。
以目前規(guī)模最大的歐洲XFEL為例，其每秒可以發(fā)射每秒可發(fā)射多達(dá)27000個(gè)脈沖。也就是說(shuō)，每秒可以捕獲2萬(wàn)多張畫(huà)面。
憑借這樣的精度，人類對(duì)電子等微觀高速物體的觀測(cè)將取得長(zhǎng)足進(jìn)步。此前，歐洲研究人員就已經(jīng)利用歐洲XFEL觀測(cè)了單個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)，這會(huì)為控制原子或分子中的電子的運(yùn)動(dòng)鋪平道路，并加深對(duì)基礎(chǔ)物理的理解。
此外，XFEL還可用于研究蛋白質(zhì)，破解細(xì)胞傳導(dǎo)的難題;捕捉化學(xué)反應(yīng)的瞬間，解釋反應(yīng)機(jī)理。除了生物和醫(yī)學(xué)，XFEL在材料、能源、生命科學(xué)等方面都會(huì)發(fā)揮極大作用。
什么是XEFL?
這一裝置有兩個(gè)要素：X射線和自由電子激光。
X射線(X-ray)其實(shí)就是X光，當(dāng)然也可以叫它倫琴射線或倫琴光，這是以其發(fā)現(xiàn)者倫琴教授命名的，他也因這一成就獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。同時(shí)，倫琴也是照射量單位，用于表示存在的輻射量。
X射線本質(zhì)是是一種波長(zhǎng)極短、能量很大的電磁波，波長(zhǎng)范圍在0.01納米到10納米之間(對(duì)應(yīng)頻率范圍30拍赫茲(PHz)到30艾赫茲(EHz)。
不同波長(zhǎng)范圍的X射線叫法不同，波長(zhǎng)在0.01nm～0.1nm的叫做硬X射線，波長(zhǎng)略大者被稱作軟X射線。因此，上面提到的上海和美國(guó)的XFEL區(qū)別就在于使用的X射線波長(zhǎng)不同。
這一射線目前最為熟知的應(yīng)用就是醫(yī)學(xué)檢查，機(jī)場(chǎng)高鐵等安檢也運(yùn)用了X射線。X射線本身是具有輻射，有致癌風(fēng)險(xiǎn)，其發(fā)現(xiàn)者倫琴最終就死于癌癥。不過(guò)不用害怕，用于醫(yī)學(xué)檢查和安檢的X射線設(shè)備是安全的。
產(chǎn)生X射線的最簡(jiǎn)單方法是用加速后的電子撞擊金屬靶。撞擊過(guò)程中，電子突然減速，其損失的動(dòng)能就會(huì)以光子形式放出。此外，高強(qiáng)度的X射線還可由同步加速器或自由電子激光產(chǎn)生。
自由電子激光的概念在1971年就已經(jīng)提了出來(lái)，與傳統(tǒng)激光使用固體、氣體、液體以及半導(dǎo)體作為工作介質(zhì)不同，它使用自由電子作為媒介，名稱也由此而來(lái)。
自由電子是指不被約束在某一個(gè)原子內(nèi)部的電子。這種電子在受到外電場(chǎng)或外磁場(chǎng)的作用時(shí)，能夠在物質(zhì)中或真空中運(yùn)動(dòng)。
正常情況下，電子受原子核的引力影響(不同的原子核的引力不同，參考地球和月球的引力)，圍繞原子核作軌道運(yùn)動(dòng)。這一運(yùn)動(dòng)速度雖然很快，但遠(yuǎn)未達(dá)到脫離引力的程度。
自由電子的產(chǎn)生有兩種。當(dāng)兩個(gè)不同原子核互相靠近，并在周圍具有一定條件(例如溫度升高)的情況下，核外電子運(yùn)動(dòng)速度加快，使其容易被引力更強(qiáng)的原子核吸引，脫離原來(lái)的原子核形成自由電子。
除了兩個(gè)原子相互作用，外界因素影響(升溫)也可以制造自由電子。溫度升高，電子的運(yùn)動(dòng)能力增加，速度加快，有時(shí)會(huì)達(dá)到脫離原子核引力的速度，隨后形成自由電子。
可以看出，這兩種方式都是通過(guò)改變電子運(yùn)動(dòng)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前在自由電子激光裝置中，科學(xué)家多用加速器實(shí)現(xiàn)電子加速。
自由電子激光實(shí)質(zhì)上是一種利用自由電子為媒介的電磁輻射。早在19世紀(jì)末，經(jīng)典電磁理論就預(yù)言相對(duì)論電子在改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)會(huì)沿切線方向輻射電磁波。這一猜測(cè)后來(lái)得到證實(shí)，1947年，研究人員在美國(guó)通用公司的一臺(tái)70兆電子伏特(MeV)同步加速器上觀察到了這種電磁輻射，因此也將其稱作同步輻射。
最開(kāi)始，這種輻射由于消耗了加速器的能量，科學(xué)家對(duì)此很不喜歡，評(píng)價(jià)其為“寄生”。但后來(lái)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)同步輻射是具有從遠(yuǎn)紅外到X光范圍內(nèi)的連續(xù)光譜、高強(qiáng)度、高度準(zhǔn)直、高度極化、特性可精確控制等優(yōu)異性能的脈沖光源，可以用來(lái)開(kāi)展其它光源無(wú)法實(shí)現(xiàn)的許多前沿科學(xué)技術(shù)研究。
所以，XFEL指的就是發(fā)出的輻射光在X光波段(0.01nm—10nm)內(nèi)的自由電子激光裝置。波長(zhǎng)在0.2-0.1nm的叫做硬X射線自由電子激光裝置(上海目前在建的就是這種);波長(zhǎng)在0.1nm以上的稱軟X射線自由電子激光裝置。
天生不凡，性能出眾
與典型的第三代同步輻射光源相比，X射線自由電子激光在亮度、光脈沖和相干性上表現(xiàn)得都更好。
光脈沖就是光源按著一定時(shí)間間隔時(shí)斷時(shí)續(xù)的發(fā)光。舉例來(lái)說(shuō)，在使用手電筒時(shí)，我們不停的(時(shí)間間隔相同)打開(kāi)或關(guān)閉手電筒，那么光線也就會(huì)變的斷斷續(xù)續(xù)。
可以看出，為了保證光線的連續(xù)性，脈沖間隔的時(shí)間越短越好。目前科學(xué)家實(shí)現(xiàn)的最短間隔為80阿托秒(Attosecond)。阿托秒是一種時(shí)間單位，1個(gè)單位等于10的負(fù)18次方秒。數(shù)字可能不夠直觀，根據(jù)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研究人員王棡的說(shuō)法，1阿秒之于1秒，如同1秒之于317.1億年。
那什么又是相干性呢?
首先，我們需要了解電磁波，電磁波是能量的一種，凡是高于絕對(duì)零度的物體，都會(huì)釋出電磁波。光也是一種電磁波，除了可見(jiàn)光之外，不可見(jiàn)的無(wú)線電波、微波、紅外線以及本文提到的X射線都是。
電磁波為橫波。電磁波的磁場(chǎng)、電場(chǎng)及其行進(jìn)方向三者互相垂直，振幅沿傳播方向的垂直方向作周期性變化。在這里我們用正弦函數(shù)圖像來(lái)表示電磁波的傳播。
我們以下面的圖來(lái)說(shuō)明：
相干意味著各個(gè)子載波之間有確定的相位關(guān)系，如果兩個(gè)正弦波滿足3個(gè)條件：振動(dòng)方向相同、頻率相同、相位差恒定，那么他們就是相干的。
將圖上三個(gè)波(從左至右依次為藍(lán)綠橙)視為電磁波的子載波，我們可以發(fā)現(xiàn)，這三個(gè)波的震動(dòng)方向(從左至右)和頻率(每條曲線峰值之間的間隔)相同，而相位(圖中三個(gè)波的相位差為1)也一直保持恒定。這時(shí)，我們就可以說(shuō)這三個(gè)波互有相干性。一般來(lái)說(shuō)，相干性越高，電磁波的能量也就越大。
聚焦微觀的超級(jí)裝置
XFEL雖然聚焦微觀研究，但是其建造面積卻相當(dāng)巨大。全球最大的歐洲XFEL總長(zhǎng)達(dá)到了3.4公里。這里我們以中國(guó)目前在建的上海硬X射線自由電子激光裝置為例了解其主要構(gòu)造。
上海硬X射線自由電子激光裝置是我國(guó)迄今為止投資最大的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，總長(zhǎng)3.1公里的裝置，位于地下約30米的筆直隧道，如下圖：
從上圖看出，這一裝置呈筆直分布，這是因?yàn)樽杂呻娮蛹す馐窃陔娮忧斑M(jìn)的方向上發(fā)出的光，所以它不能像同步輻射光一樣圍繞圓環(huán)運(yùn)動(dòng)來(lái)發(fā)出光束。建設(shè)方面的難度非常大，普通土建一般要求精度達(dá)到厘米級(jí)，而這一裝置需要達(dá)到毫米甚至微米級(jí)。
工作時(shí)，電注入器發(fā)射電子，電子隨后進(jìn)入加速器并被加速接近光速，成為相對(duì)論電子，隨即進(jìn)入波蕩器。
波蕩器的結(jié)構(gòu)大致如上圖，其中綠色和藍(lán)色表示磁性互異的永磁體。相對(duì)論電子進(jìn)入波蕩器后，由于磁場(chǎng)的影響，電子的運(yùn)動(dòng)路徑開(kāi)始變成旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，在這個(gè)過(guò)程中，每個(gè)電子發(fā)出的X射線不斷增加(因?yàn)橄鄬?duì)論電子在改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)會(huì)沿切線方向輻射電磁波)。
最終，X射線從出口射出，而電子經(jīng)過(guò)回旋運(yùn)動(dòng)失去動(dòng)能(右邊紅色箭頭方向)。
