世界最強光子大科學裝置集群齊聚張江

如果說第三代同步輻射光能為科學家拍攝「分子照片」，那麼屬於「第四代先進光源」的X射線自由激光則進入「拍攝分子電影」的時代，以更高的世界級水準推動國內外各領域科學家向自主創新進擊。

今天上午，「硬X射線自由電子激光裝置（XFEL）」建設啟動儀式在位於浦東張江的上海科技大學內舉行。這標誌著，作為《國家重大科技基礎設施建設「十三五」規劃》優先布局的、國內迄今為止投資最大的國家重大科技基礎設施項目——硬X射線自由電子激光裝置自此邁入全面建設時期。

該裝置是上海建設具有全球影響力的科創中心以及張江綜合性國家科學中心的核心創新項目，建設周期7年，總投資近百億。

伴隨著硬X射線自由電子激光裝置的加快建設，其與已有的是上海同步輻射光源、軟X射線自由電子激光用戶裝置、超強超短激光裝置等，將一起在浦東張江構成世界領先的、有全球影響力的光子科學設施集群和光子科學中心。

也意味著，我國的光子科學研究走到世界前列，將極大提升重大科技基礎設施在張江綜合性國家科學中心的集中度和顯示度。

從「分子照片」到「分子電影」

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。而X射線自由電子激光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。

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。

中國科學院上海應用物理研究所所長、硬X射線自由電子激光裝置項目首席科學家趙振堂打了個這樣的比方：

如果說如上海光源類別的第三代同步輻射光能為科學家拍攝「分子照片」，那麼屬於「第四代先進光源」的X射線自由激光則進入「拍攝分子電影」的時代。

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，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，但硬X射線自由電子激光目前的精度已達到飛秒級。

已投入使用的「鸚鵡螺」上海光源屬於第三代同步輻射光源，而X射線自由電子激光屬於第四代先進光源，其峰值亮度比第三代同步輻射光源高9-10個量級（即10的9-10次方）；成像時間尺度可達到飛秒量級（1秒的1000萬億分之一），比第三代同步輻射光高3個數量級。

在世界最領先的實驗室里做研發

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，目前已開始建設其升級版，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。

今天，在張江全面啟動建設的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。

這就意味著，我國科學家將在世界最領先的實驗室里做研發。

建成後，將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，為物理、化學、生命科學、材料科學、能源科學等多學科提供前所未有的高分辨成像，先進結構解析、超快過程探索等尖端研究手段。

「科研需要認知物質的本源，硬X射線自由電子激光裝置，可以弄清過程中的奧秘，讓科學家清晰地看到電子、原子結構的動態變化。」趙振堂表示。

啟動儀式後，上海科技大學還舉行「X射線自由電子激光的科學機遇與技術挑戰」論壇，世界各地的院士和專家圍繞著X射線自由電子激光的機遇與挑戰進行探討。

科普貼士：

硬X射線：

X射線波長範圍為0.001~10 nm,介於紫外線和γ射線之間。與常見晶體的原子間距相仿，可以用於解析物質的原子結構，是研究晶體結構極佳的工具。

硬X射線是能量較高的x射線，波長在0.01nm～0.1nm之間。

軟x射線：

波長在0.1nm以上的則稱為軟x射線。

自由電子激光：

自由電子激光是自由電子產生的相干光。它具有極其優異的特性，包括極高的峰值亮度，50年增加1022倍；超短的飛秒脈衝；全相干性等。

「鸚鵡螺」上海光源是第三代同步輻射光源，而X射線自由電子激光屬於第四代先進光源

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