解读硬X射线自由电子激光装置意义

伴随着硬X射线自由电子激光装置进入全面建设阶段，未来，它将与已有的上海同步辐射光源、软X射线自由电子激光装置、超强超短激光实验装置等一起，形成全球规模最大、种类最全、综合能力最强的光子大科学设施群。

“世界领先的光子科学中心将在张江崛起。”4月27日，由上海科技大学和张江实验室主办的“X射线自由电子激光的科学机遇与技术挑战”学术论坛上，多位知名学者就硬X射线自由电子激光装置的功能、亮点等做了解读。

揭示物质结构和生命现象的理想探针

作为能够在原子／分子尺度上揭示物质结构和生命现象的理想探针，X射线已经对物理、化学、生命等学科产生了深刻的影响。

“人类要进一步探索微观世界，尤其是在材料、环境、生物等众多学科领域，一些基础科研项目在进行的过程中，已经开始对光源有了更高、更特殊的要求。”上海科技大学物质学院教授、硬X射线自由电子激光装置项目光束线站FEL—I分总体负责人江怀东介绍，和第三代同步辐射光源相比，X射线自由电子激光具有更高的亮度、更短的脉冲以及更好的相干性三大显著优势。比如，在峰值亮度上，X射线自由电子激光的峰值亮度要比第三代同步辐射光源高出8至10个数量级，而脉冲频率则要短3至4个数量级，可窄至飞秒甚至亚飞秒级。

硬X射线自由电子激光装置的建成，将为多学科提供高分辨成像、超快过程探索、先进结构解析等尖端研究手段。上海科技大学党委书记、硬X射线自由电子激光装置项目总经理朱志远以实验探测能力举了一个例子：围绕谱学能量分辨率1MeV（兆电子伏特）做一个实验，过去用第三代同步辐射光源需要200天，而使用硬X射线自由电子激光装置只需要3小时。

中国科学院上海应用物理研究所所长、硬X射线自由电子激光装置项目首席科学家、上海科技大学物质学院特聘教授赵振堂说，该装置的应用范围极广。比如在化学领域，借助这一科研利器，科学家能够通过实验观测、掌握化学键断裂的过程。

“去年诺贝尔化学奖颁给了冷冻电镜技术，从某种意义上说，到目前为止，科学界对于细胞结构的认识还停留在拍摄分子照片的水平。而今后，一旦硬X射线自由电子激光装置投入使用，科学家就有机会观测细胞存活时的状态。只有了解了物质的基本结构后，在原子、分子层面有了更深刻的认识，科学家才能控制这些结构。”江怀东说。

施工精度要求之高前所未有

总长3．1公里的硬X射线自由电子激光装置，将建设深埋在地下29米的地下隧道。该装置不仅创下新中国成立以来大科学装置的投资之最，在施工上也创下了工程难度之最。

“和普通的土建设施不同，这是一个在科学上有特殊应用的大科学装置，所以对施工精度的要求也是前所未有的。”用硬X射线自由电子激光装置项目设计负责人、上海市隧道工程轨道交通设计研究院副院长杨志豪的话来说，硬X射线自由电子激光装置是一个超常规、超长、超深的项目。由于该装置的特殊性，经过前期的研究，要在浦东张江选址、建造一条笔直的、内部要能装载各种光学仪器设备的隧道，只有建在地下才有可能。普通的土建设施一般在施工精度上达到厘米级，而硬X射线自由电子激光装置则要达到毫米甚至微米级。而为了满足科学实验的要求，该装置设有五个工作井，每个井开挖深度达到45米左右。“在上海软土层的地基，要确保这一长达3．1公里的大装置不出现沉降，在建设上都意味着难度和挑战。”

据了解，硬X射线自由电子激光装置建设周期为七年，工期包括该装置本身的研发，隧道工程部分的建设时间为3．5年，预计2024年年底建成。

大装置集群在功能上将实现互补

近年来，由于X射线电子激光的发展已经从原理论证、方法探索阶段走向前沿科学突破的快速发展阶段，学界普遍认为，在能源、环境、健康和新材料发现等解决国家战略需求的前沿领域，它将发挥不可替代的作用。

记者从4月27日的论坛获悉，作为张江综合性国家科学中心的重要建设内容，我国的硬X射线自由电子激光装置起步并不算晚，而且在性能上优于欧美。“未来，硬X射线自由电子激光装置将与软X射线自由电子激光装置、超强超短激光实验装置等在功能上实现互补，满足不同用户的需求。”赵振堂认为，大装置集群将为上海科技创新中心自主创新能力的大幅提升创造战略机遇，未来将在参与全球科技创新竞争时发挥不可替代的作用。