硬X射線自由電子激光裝置：能給分子拍電影

最近，作為《國家重大科技基礎設施建設「十三五」規劃》優先布局的、我國迄今為止投資最大的重大科技基礎設施項目———硬X射線自由電子激光裝置（ XFEL）獲批啟動。這種裝置因為能幫助科學家看清原子乃至電子尺度上的微觀世界，被英國《自然》雜誌稱為科學家的「高速攝像機」。

由於原子、電子運動得實在太快了，人類至今從未看清過它們是怎樣運動的。XFEL可以捕捉微觀世界的瞬時圖像，並可慢速回放，讓科學家弄清其中的奧秘，因而成為各國爭相研製的一大科研利器。

我國迄今為止投資最大的重大科技基礎設施項目———硬X射線自由電子激光裝置（XFEL）最近獲批啟動。選址上海張江綜合性國家科學中心核心區域，這個總長3．1公里的裝置，將建設埋深約30米的地下隧道，沿浦東新區羅山路，一直延伸到上海科技大學園區。

早在2009年，美國就建成了世界上第一條XFEL。近年來，日本、瑞士、韓國都在加緊研製這一科研利器。去年9月，歐洲12國共同投資12億歐元、建在德國漢堡附近的歐洲XFEL開始進行首批實驗。

硬X射線自由電子激光裝置所提供的X射線，峰值亮度比第三代同步輻射光源可以高出上萬倍，能幫助科學家看清原子，乃至電子尺度上的微觀世界，可將對微觀世界的研究從拍「分子照片」提升到拍「分子電影」的水平，因而成為全世界科學家追逐的熱門。英國《自然》雜誌將這種裝置稱為科學家的「高速攝像機」。

比普通X光亮上億倍具備超快時間分辨力

高速運動的電子在受磁場影響發生偏轉時，會沿切線方向釋放同步輻射光，這種光比普通X光強上萬倍。而X射線自由電子激光則比同步輻射光更強，這種光是高能電子在受磁場作用，發生扭擺的時候，在前進方向上放出的激光。

X射線自由電子激光根據能量和波長的不同，分為軟、硬X射線兩種，後者亮度更高，比同步輻射光還要高出上萬倍，其波長可達到幾個納米（10米）。

與同步輻射光相比，X射線自由電子激光具有更高的亮度、更短的脈衝結構和更好的相干性。同步輻射光所能看到的是分子層面的結構，而硬X射線自由電子激光則能看清原子級別的結構。這有什麼不同？如果說，同步輻射光可以看清一幢大樓的表面，那麼硬X射線自由電子激光則可以看清每個窗戶里發生的事情。

顯然，XFEL可以幫助科學家看清以前從未看到過的微觀世界，一些科學猜測也許就此解開謎團。儘管現有的XFEL性能還有不少提升空間，但科學家已經利用這種超強光源，得到了一些新發現。例如，中國科學院上海藥物研究所徐華強研究員領銜的國際交叉團隊經過聯合攻關，利用美國斯坦福直線加速器中心（SLAC）國家加速器實驗室的XFEL，成功解析了磷酸化視紫紅質與阻遏蛋白複合物的晶體結構，攻克了細胞信號傳導領域的重大科學難題。隨著數據分析方法的提升和改進，他用同一套數據，先後有了兩次重大發現，論文均發表在美國《細胞》雜誌上。這也從一個側面說明，XFEL將為科學發現帶來極具價值的研究數據。

近十年來，全球科學家都在追求這種激光，不斷提升其性能，希望藉此推動人類對自然界的認識更加深入。就在去年9月，歐洲12國共同投資的XFEL在德國漢堡附近開始進行首批實驗，其能量高達17．5GeV（109電子伏特），每秒可發射2．7萬個脈衝。美國2009年建成的XFEL能量達到14．5GeV，現在又開始建設其升級版，雖然能量指標為4GeV，但其每秒可發射100萬個脈衝，是目前裝置的1萬倍。我國新啟動的XFEL能量為8GeV，可以產生品質非常高的光子，它還將同時具備納米級的超高空間分辨能力，以及飛秒（10秒）級的超快時間分辨能力。

為科學家拍分子電影鮮活展現微觀世界

利用硬X射線自由電子激光，科學家能做什麼？在早期的XFEL上，科學家每秒可以收集到100張左右的X射線照片，而在新啟用的歐洲XFEL實驗站，科學家每秒可收集3000多張高質量的X射線照片。那麼，如果脈衝數高達百萬的話，將為科學家帶來多少微觀世界的瞬時圖像？

眾所周知，每秒24幀的畫面就可形成視覺上連續不斷的動態影像，也就是最基本的電影，當每秒圖像超過1000幀，就進入到了高速攝像機的水準。每秒百萬次脈衝，就意味著每秒拍攝下的X射線照片可能多達約10萬張，那真是名副其實的超級高速照相機。

一般來說，高速攝像機的圖像質量並不會很高，但XFEL這台高速攝像機目前的解析度已達到百納米級別，未來還將向納米級別衝刺。

為何科學家需要如此高速高清的攝像機？那是因為原子、電子的運動太快了，人類至今從未看清過它們是怎樣運動的，只能看到一團電子云———那是電子快速運動所形成的軌跡迷霧，就好比武俠小說中的落英繽紛掌、天羅地網手或無影神拳。而XFEL則有望將這一過程抓拍下來，並讓科學家慢速回放，弄清過程中的奧秘，清晰地看到電子、原子結構的動態變化，如電子怎樣從一個分子跑向另一個分子，這相當於將微觀世界活生生展現在人們面前，而這是目前還做不到的。

新發現將可能顛覆以前的很多科學認知，因為我們現在只能看到模模糊糊的影像，只能用平均圖像來猜測真實的微觀粒子世界。比如超導如何產生，「生命機器」蛋白質分子如何運行，化學反應中化學鍵如何形成，等等。科學家曾用這種光源將電子從碘甲烷分子（CH3I）中的碘原子里幾乎全部敲出，使得碘原子像黑洞的電磁一樣吸引甲基的電子，其響應時間在飛秒級別。這一研究結果發表在去年6月的英國《自然》雜誌上。

由於自由電子激光是在電子前進的方向上發出的光，所以它不能像同步輻射光那樣，繞著一個大圓環來引出一束束光，建成幾十個實驗線站，而只能讓光稍稍偏轉，分成有限的幾束，接到實驗站上（數量一般不超過十個）。這也讓它顯得尤為寶貴。

一般XFEL包含直線加速器隧道、波盪器隧道、光束線隧道、用戶裝置等設施。要獲得更高能量的電子，就需要更長的電子加速距離，所以裝置會越造越長，為了縮短電子加速的距離，基於超導技術的加速器正在成為世界上建造XFEL的主流。

上海即將建造的XFEL，也採用超導加速器，以期在建成後成為世界上最高效和最先進的自由電子激光用戶裝置之一。

該裝置建成後，將為物理學、化學、生命科學、材料科學、能源科學等多學科提供高分辨成像、超快過程探索、先進結構解析等尖端研究手段。張江地區也將成為集聚同步輻射光源、軟X射線自由電子激光、硬X射線自由電子激光和超強超短激光於同一區域的國際光子科學研究高地。

該項目還將嘗試打破高校與科研院所的圍牆，聯手大量高技術企業，在張江地區「集聚力量做大事」。記者了解到，由於XFEL的很多技術都要挑戰極限，因此對我國高端製造業的提升將有明顯的牽引作用。

硬X射線自由電子激光的用途

XFEL的第一個實驗

自由電子激光從揭秘原子開始。該研究成果發表於2010年7月1日英國《自然》雜誌。

研究難以結晶的蛋白質

中科院上海藥物研究所研究員徐華強領銜的國際交叉團隊經過聯合攻關，再次利用世界上最強X射線激光所解析的磷酸化視紫紅質與阻遏蛋白複合物的晶體結構數據，解決了細胞信號傳導領域的重大科學難題。該項突破性成果於2017年7月28日以封面文章形式發表於美國《細胞》雜誌。

看清原子級結構

極高亮度的X射線自由電子激光將54（62）電子從碘甲烷分子CH3I的碘原子（右）中敲出，使得它像黑洞的電磁一樣吸引甲基（左）的電子，其響應時間在飛秒內。該研究結果發表在2017年6月1日的英國《自然》雜誌。

揭示化學反應機理

捕獲化學鍵的形成瞬間。該研究成果發表於2015年2月12日美國《科學》雜誌。

來源：文匯報

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