大江东︱最快最亮！上海这束“国际光”能拍活细胞“遗像”

• 2021-8-5 9:49:15
• 来源：人民日报
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5月14日下午，一个激动人心的消息，从中国科学院上海高等研究院传出：我国首台X射线自由电子激光用户装置——上海软X射线自由电子激光装置（简称SXFEL）调试工作取得重大突破，在2.0纳米波长上实现了自由电子激光放大出光，从而实现了“水窗”波段全覆盖。这一进展表明我国在软X射线自由电子激光研制方面已步入国际先进行列。

 

上海软X射线自由电子激光装置外观

总投资10亿的基础科学前沿研究之利器，也是张江光子研究“四柱”之一

作为上海浦东张江光子科学设施家族中的一名重要成员，SXFEL项目分两个阶段建设，总投资约10亿元，与上海同步辐射光源、硬X射线自由电子激光装置和超强超短激光装置等一起，构建出具有全球影响力的光子科学研究中心。

“这四个装置好比撑起光子科学研究中心这张大桌子的四条腿，缺一不可，将为我国物理、化学、生命科学、材料科学等多个领域提供前沿研究的利器。”上海光源科学中心副主任刘波告诉大江东。

目前，全球建成的X射线自由电子激光装置仅有8台，其它7台分别位于德国（两台）、美国、日本、韩国、意大利和瑞士。其中软X射线自由电子激光装置世界上仅有三台。

“一台在德国，一台在意大利，而第三台就在我们上海浦东张江。”刘波所在的中科院高等研究院SXFEL团队，在今年3月底基本完成软X射线自由电子激光装置直线加速器的调试，随后开始了紧张的调光。5.6纳米、3.5纳米、2.4纳米……目标在一步步逼近SXFEL设计的最短目标波长——2.0纳米。终于，在2021年5月14日凌晨1时，这个100多人的团队，看到了那束最快最亮的光——2.0纳米自由电子激光！整个团队沸腾了！当天下午的新闻发布会上，虽然带着连月奋战积攒下的疲惫，刘波依然难掩那份兴奋喜悦之情。

 

上海软X射线自由电子激光装置内部的直线加速器隧道

它能拍摄“分子电影”，科学家兴奋：“终于能为活细胞拍遗像了！”

同样兴奋的，还有上海科技大学的江怀东。这位从事物理学研究的教授说自己是这束光的最先受益者，因为他们的科研工作急需SXFEL这把利器。“和您这么说吧，利用SXFEL发出的2.0纳米激光，我们终于能够给活细胞拍遗像了！”

此话怎讲？江怀东说，SXFEL放出的光最大的特点是又快又亮，在细胞还没有死去前准确、清晰地捕捉最后的画面，这是其他光源做不到的。“所以，SXFEL能够探测超小结构，帮助科研人员获取物质的原子分子结构动态图，从拍分子照片到实现拍分子电影。”

而所谓“水窗”波段，是指波长处于2.3纳米到4.4纳米之间的软X射线，在此波长范围内，水对X光是透明的，但其他构成生命的重要元素碳、氧等，仍会与X射线相互作用，因而水窗波段的X射线可用于对活体生物细胞进行显微成像，具有极其重要的科学应用前景。在水窗波段，自由电子激光可提供比同步辐射高9个量级以上的峰值亮度，且同时具有横向和纵向相干性，能够为物理、生物、化学等学科提供革命性的研究工具。

 

波荡器大厅

“鹦鹉螺”多了个更快更亮的小兄弟，国之重器集结，上海张江再站前沿

到过浦东新区张衡路、看过上海光源的人们，形象地将这座设计感十足的银色建筑，昵称“鹦鹉螺”。从我国首台国产单色器的诞生到今天放出“最快最亮”光的软X射线自由电子激光装置，数年间，“鹦鹉螺”及其周边区域已成为国家重大科技基础设施布局的高地。

在刘波的带领下，穿过一条杂草带，东妹来到位于上海光源主体背后一座像仓库一样的小白楼，走进一条“时光”隧道。

玄机就暗藏在这条500多米长的“放光”装置里，经过近7年的努力，软X射线自由电子激光用户装置终于绽放出最耀眼、最快的光芒。

刘波介绍，软X射线自由电子激光用户装置的前身是X射线自由电子激光试验装置，由一台8亿4千万电子伏特的高性能电子直线加速器和一台可以实现多种先进运行模式的自由电子激光放大器组成。“2014年我们破土动工，2016年4月基本建设完成，后面持续的三年时间主要用于克服各类问题、提升装置稳定性、优化调试方法等，到2020年年初第一次达到了设计指标。”

以X射线自由电子激光试验装置为基础，中国首台X射线波段自由电子激光用户装置升级完成后，将为开展能源、材料、生物等领域科学前沿问题的探索提供强有力的工具﹔同时，也为中国继续开展自由电子激光新原理的探索和验証、关键技术的研究提供了不可替代的实验平台。

“预计今年下半年，用户实验站可以开始做首批实验了。”刘波表示，目前主要的用户是国内各大高校和研究院所，未来还将向其他国家的科研机构开放。

软X射线自由电子激光试验装置是上海在国家部委支持下建成和在建的14个国家重大科技基础设施之一，也是位于张江科学城核心地带的8个光子科学设施之一。这些光子设施，包括已建成的上海同步辐射光源、蛋白质科学研究（上海）设施、软X射线自由电子激光试验装置和超强超短激光实验装置，将于今明两年建成的软X射线自由电子激光用户装置、活细胞结构与功能成像等线站工程、上海光源线站工程暨光源二期3个设施，以及预计2025年建成的硬 X 射线自由电子激光装置等。这些项目建成后，张江科学城将形成全球规模最大、种类最全、综合能力最强的光子大科学设施集群。

诚如刘波所言，上海张江，不仅为中国的基础科研助跑起跳积蓄能量、支撑保障，更敞开怀抱，向全世界的科学家提供科研平台。

新闻多一点：X 射线自由电子激光器究竟是啥利器？

光，是人类看世界的重要媒介。最初，人们透过阳光看到五彩缤纷世界，望远镜和显微镜的发明，将人类看到的世界拓展到了广袤的宇宙和微小的细胞世界。X射线、激光的发明，使得人类的双眼穿透物质的内在，不断渗透到更小的物质结构单元，到达原子尺度的微观结构。

X 射线自由电子激光器，简称XFEL，就是利用自由电子作为介质来产生X射线的激光器。它天然地同时具有X射线和激光的优点，与典型的第三代同步辐射光源相比，XFEL的峰值亮度高9 个数量级，脉冲宽度短3 个数量级，相干性提高3 个数量级以上。这些特点突破了现有常规激光和同步辐射光源的许多禁区，使得XFEL自诞生之日起就备受科学研究者青睐。

20 世纪70 年代，斯坦福大学研究人员提出了自由电子激光(FEL)的概念并发明了远红外自由电子激光器。自那以后，许多国家都开展了关于自由电子激光的理论与实验研究，自由电子激光器向着更高能量、更短波长的方向稳步发展。

21 世纪初，世界上第一台X 射线自由电子激光器(简称XFEL)，在德国诞生。在过去的十多年中，X 射线自由电子激光引起了科学界的广泛关注，各个国家的大力投入和支持使其在很短的时间内取得了迅速的发展，在物理、化学、生命科学、材料科学等领域都发挥了重要的作用。

据了解，在物理中的应用，超短超强的XFEL脉冲能够产生一些极端条件下的奇异物态。在化学中的应用，XFEL产生的飞秒X射线脉冲将纳米尺度空间分辨率和飞秒尺度时间分辨率完美地结合在了一起，从而为我们提供了前所未有的技术手段去从本质上研究化学反应过程。在生物中的应用，可以测量单粒子和非晶生物样品结构信息。材料科学中的应用，用于材料结构动力学和相变过程的研究。