X射线自由电子激光的前景与挑战.pdf

物理攫英 更亮与更快：X 射线自由电子激光的前景与挑战 ( 中 国 科 学 院 上 海 应 用 物 理 研 究 所 赵 振 堂 、王 东 编 译 自 Philip H.Bucksbaum，Nora Berrah. Physics Today，2015，(7)：26) 自 2009 年美国直线加速器相干光源(LCLS)装置的成功出光起，X 射线自由电子激光的研 究与应用已逐渐步入了一个新的阶段。在 LCLS 上获得的初期结果令全世界科学家为之惊叹。 新的实验工具与实验技术总能为 动的相对论性自由电子能与光相互 用斯坦福直线加速器产生 X 射线激 科学家们打开探索未知领域的新窗 作用从而产生相干辐射放大，自由 光起，美国和欧洲的几个实验室 口，验证人们理论上的预言。X 射线 电子激光(FEL)也因此得名。 先后开展了一系列原理验证及关 成像是一种独特而不可替代的技术。 在 FEL 概 念 提 出 之 后 的 20 年 键 技 术研究，直到 2005 年，德国 这一方面是由于X射线在固体中强大 中，人们分别在远红外、近红外和 FLASH 装置在极紫外到软 X 射线波 的穿透力，另一方面在于 X 射线的 可见光波段建成了 FEL 装置。这些 段的 FEL 出光并开始用户实验，成 波长短到可以直接用于解析物质的 典型的 FEL 都是基于直线加速器提 为 世 界 首 台 SASE FEL 用 户 装 置 。 原子结构。这些特性使得科学家可 供的相对论电子束通过优化的波荡 2009 年，美国 SLAC 的 LCLS 装置 以推动基础物理科学的发展，将 X 器和谐振腔系统来实现的。然而， 的顺利出光，标志着硬 XFEL 时代 射线结构成像应用到从新药物研发 因为缺少适合短波长的光学谐振 的到来。目前 LCLS 已经可以产生 到飞机发动机叶片分析的广阔领域。 腔反射镜材料，限制了自由电子 覆盖 280 eV 到 10 keV 的 XFEL，辐 美国直线加速器相干光源(LCLS) 激光推向 X 射线波段。后来人们 射脉冲长度可以在 2—4 fs～500 fs 之 的成功极大地推动了世界范围内基于 发现，作为增益介质的电子束有 间调节，辐射脉冲能量可超过 3 mJ。 加速器的X射线自由电子激光(XFEL) 一个独特的性质，即当其以接近 日本的 SACLA，意大利的 FERMI@ 的发展。这种新型 X 射线光源为科 光速沿自发辐射的方向运动时，电 Elettra 也先后出光，目前正在建设 学家们带来了前所未有的机遇与挑 子束能与自发辐射持续耦合，并在 的 XFEL 还有德国的 FLASH-II，韩 战。XFEL 能够产生比第三代同步辐 一定条件下使电子束产生微聚束， 国 的 PAL-XFEL， 欧 洲 的 European 射光源亮度高十亿倍、脉冲短一万 微聚束又反过来加强自发辐射，从 XFEL，以及瑞士的 SwissFEL。 倍、峰值强度高达 10 W/cm 的相干 而 建立一个正反馈放大机制直到 X 光。为充分利用 XFEL 这些优异 饱 和 。 这 种 产 生 FEL 的 方 式 被 称 特性，迫切需要发展新的研究方法。 为自放大自发辐射(SASE)，而基于 利 用 SASE-FEL， 科 学 家 们 可 SASE 机制的 FEL 是没有输出波长 以研究同步辐射光源无法研究的 限制的。 时间和强度区域中的 X 射线与物 20 2 1 X 射线自由电子激光 2 X 射线自由电子激光的科学应用 在过去的几十年间，第三代同 在 SASE-FEL 中，辐射光强在 质的相互作用。与同步辐射光源 步辐射光源装置一直是产生高强度 波荡器中呈指数增益。当达到饱和 用户类似，起初的用户大多来自 X 射线的最佳选择。目前国际上有 时，每个电子平均可以发射出 103— 于物理学领域，尔后分子生物学 几十台同步辐射光源正在运行，为 104 个 X 射线光子。考虑到一个电子 科学家才成为重要的用户。本文 数万名科学家服务。然而同步辐射 束团中一般有 10 —10 个电子，这 将重点强调 XFEL 在物理研究中的 并非激光，不具备相干性；若要产 就意味着每个 SASE 输出脉冲中大 应用。 生激光，则需要电子聚集在间隔为 概有 1012—1014 个光子。图 1 给出了 XFEL 的科学应用将解答下述 辐射波长的相位上，这样当它们通过 国际上一些主要的 XFEL 和第三代 问题：化学键断裂过程中原子是如 波荡器就能产生相干 X 射线。1971 同步辐射光源亮度的比较。 何运动的？光致原子运动或者辐射 年，John Madey 发现在波荡器中运 · 456 · 9 10 自上世纪 90 年代科学家提出利 损伤的反应通道是什么？这些原 ·44卷 (2015 年) 7 期 2.3 关联体系动力学 子运动规律是所有化学反应的基 子而被电离，内层空穴被随后的俄 础。原子核运动的时间尺度为飞秒 歇过程填补，直到所有电子被剥 超导与超流态是凝聚态物理学 级，价电子运动的时间尺度为百阿 离。相反，N2 分子吸收 X 射线光子 的一个研究热点，XFEL 可以帮助 秒级，而内层电子的运动会更快。 后将失去两个 1s 电子而形成双内层 实现超导与超流态相变过程的飞秒 XFEL 提供的超短脉冲和超高强度 空穴，超短 XFEL 脉冲将减慢电离 级时间分辨的动力学研究。微米尺 特性为原子尺度空间分辨的分子 过程，抑制原子外围电子的完全 度的 He-4 液滴被注入到真空，并迅 结 构动力学研究提供了强有力的 剥离。这个发现的重要意义在于， 速被蒸发至临界温度，通过 X 射线 工具。 XFEL 的超短脉冲特性将能减小对 相干衍射成像提供的 100 nm 的空间 2.1 空心原子与分子爆炸 生物样品的辐射损伤，从而为散 分辨，观测到液滴在相变过程中的 原子、分子或团簇体系吸收超 射成像提供可能。为了进一步研 外部形貌变化以及从涡流到常规晶 强、超快 XFEL 将产生一些极端条 究辐射损伤的机理，利用 XFEL 还 格的重整过程。实验发现，旋转速 件下的奇异物态。在 LCLS 上开展 开展了对 C60 分子的实验和理论模 度可以超过旋转液氦的经典温度 的首批实验的目的就在于观测一些 型研究。 极限；涡流密度比以往任何超流 轻原子、分子体系在强场电离过程 2.2 泵浦—探针实验 系统大 5 个量级。这些发现都是未 中的行为。 化学反应过程中的能流与电荷 预料到的，加深了对量子集体行为 实验表明，聚焦的 X 射线激光 输运决定于原子核与电子的位置与 的理解。 能将 Ne 原子外的所有 10 个电子依 运动行为，泵浦—探针谱学是研究 3 X 射线自由电子激光的光明未来 次剥离：内层电子优先吸收一个光 上述过程的重要实验方法。LCLS 上最近的一个实 验是，一束短脉 冲 近 红 外激光使 CH3-I 化 学 键 断 裂，利用精确延 时 的 超 强 XFEL 脉冲观测在断裂 目前在运行的几台 XFEL 装置 已经取得了巨大的成功。人们还在 积 极 拓 展 XFEL 的 能 力 和 应 用 范 围，例如，产生阿秒级的超短脉 冲，光子能量超过 50 keV，脉冲重 复频率达到 1 MHz 等。美国第二台 XFEL，LCLS-II，几年之后将能提 过程中相互远离 供脉冲重复频率为 100 kHz 的 X 射 的碎片的电荷与 线FEL光束。另外，近年来激光等离 动能，可以提供 子体尾场加速和介质激光加速等新 电荷输运在时间 技术发展迅猛。基于这些新技术， 分辨和键长尺度 有望大大减小 XFEL 装置的规模和 分辨的重要信 造价，使其在大学实验室、医院甚 息。对于复杂分 至商业应用成为可能。 子，电荷输运过 与此同时，XFEL 的科学应用 程将涉及多个原 将帮助我们进一步理解光与物质的 子和多个化学 相互作用，探索物理、化学和生命 国际上一些主要 XFEL(上方的无阴影部分)与第三代同 键，时间分辨的 科学中一些纷繁复杂现象背后的本 步辐射光源(下方的有阴影部分)的峰值亮度比较。XFEL 的峰 瞬态俄歇电子谱 质。XFEL 的短波长和超快特性将 值亮度比第三代同步辐射光源高 10 个量级左右(其中实线为 能提供上述过程 成为研究纳米结构和动力学不可或 的快速拍照信息。 缺的重要工具。 图1 已出光的光源，虚线为正在设计和建造中的光源) ·44卷 (2015 年) 7 期 · 457 ·