在人類科技史上，激光和X射線都是物理學(xué)上偉大的發(fā)明和發(fā)現(xiàn)。激光源自物質(zhì)“受激”輻射，具有亮度高、準(zhǔn)直性和相干性好等特點(diǎn)，但一般處于紅外線和可見(jiàn)光波段。而來(lái)自于高速電子強(qiáng)烈加速或撞擊的X射線，特別是硬X射線，具有很高的能量和原子尺度的波長(zhǎng)，其穿透力和分辨率都大大增強(qiáng)，但準(zhǔn)直性和相干性遠(yuǎn)不如激光。

　　能不能將這兩種高性能的光結(jié)合起來(lái)呢?近日，香山科學(xué)會(huì)議以“硬X射線自由電子激光的現(xiàn)狀與對(duì)策”為題召開(kāi)了第432次討論會(huì)。與會(huì)專家一致認(rèn)為，硬X射線自由電子激光(HXFEL)將在更廣范圍、更深層次并以更高的效率給結(jié)構(gòu)生物學(xué)、凝聚態(tài)物理、超快化學(xué)、能源材料等領(lǐng)域帶來(lái)革新。

　　無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)

　　會(huì)議執(zhí)行主席、中科院院士陳佳洱介紹，隨著加速器技術(shù)的發(fā)展，自由電子激光在高平均功率及短波長(zhǎng)方面取得了巨大進(jìn)展。

　　而在所有波段的X射線自由電子激光(XFEL)中，能量最高的硬X射線自由電子激光受到格外關(guān)注。2009年4月，世界上第一個(gè)HXFEL裝置在美國(guó)SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室誕生，最短工作波長(zhǎng)達(dá)到0.15納米，標(biāo)志著X光光源已經(jīng)開(kāi)始更新?lián)Q代。

　　中科院上海應(yīng)用物理研究所所長(zhǎng)趙振堂向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者介紹：“和上一代光源相比，HXFEL具有卓越的先進(jìn)性能，可謂更高、更快、更強(qiáng)了?！?/P>

　　首先，HXFEL具有超高的峰值亮度，比上一代光源高出10億倍左右。其次，脈沖寬度是上一代光源的萬(wàn)分之一，這意味著激光脈沖速度快、功率高，能達(dá)到更高的時(shí)間精度。再次，HXFEL中光子相位一致，如同一支訓(xùn)練有素的部隊(duì)，具有極強(qiáng)的“戰(zhàn)斗力”，這被物理學(xué)家稱為“全相干”。激光專家、英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院教授約翰·蒂施曾評(píng)價(jià)：“HXFEL具有其他任何光源都無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)?！?/P>

　　期待“新科學(xué)”產(chǎn)生

　　縱觀多年諾貝爾獎(jiǎng)會(huì)發(fā)現(xiàn)，歷史上已有20次諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C給了和X射線研究相關(guān)的科學(xué)家，10次頒給了與激光有關(guān)的研究。當(dāng)激光遇上X射線，各領(lǐng)域科學(xué)家們都期待革命性的“新科學(xué)”產(chǎn)生。

　　中科院高能物理所研究員董宇輝表示：“HXFEL是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析研究人員夢(mèng)寐以求的技術(shù)?！蹦壳?，解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的困難之一便是生長(zhǎng)大尺寸、高質(zhì)量的單晶。HXFEL對(duì)納米尺度的晶體開(kāi)展測(cè)量會(huì)給膜蛋白、蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)提供極大便利。

　　中科院院士范福海是X射線衍射分析的“忠實(shí)用戶”。他向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者表示：“有了HXFEL，測(cè)定膜蛋白的晶體結(jié)構(gòu)就可能不用再培育所謂的‘優(yōu)質(zhì)大單晶’了?！?/P>

　　同時(shí)，動(dòng)態(tài)X射線結(jié)構(gòu)分析也受到化學(xué)家的關(guān)注?！癏XFEL能以極小的原子尺度、在時(shí)間極短的飛秒時(shí)段給物質(zhì)結(jié)構(gòu)‘拍’一張三維‘快照’。”范福海解釋?；诖?，化學(xué)家有望對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)。

　　當(dāng)然，HXFEL的用戶們也為新工具的制造提出了條件。董宇輝指出，在解析單分子結(jié)構(gòu)上，主要的問(wèn)題在于目前HXFEL的脈沖強(qiáng)度還不夠高，離原子分辨率還有一定距離。

　　盡快搶占科技制高點(diǎn)

　　不過(guò)，現(xiàn)階段，我國(guó)還沒(méi)有建設(shè)波長(zhǎng)更短的HXFEL的計(jì)劃，只在能量稍弱的紫外和軟X射線波段取得進(jìn)展。

　　在我國(guó)科學(xué)大裝置“上海光源”項(xiàng)目中，上海應(yīng)用物理研究所技術(shù)團(tuán)隊(duì)完成“高增益諧波產(chǎn)生自由電子激光放大飽和”實(shí)驗(yàn)，使我國(guó)成為繼美國(guó)后世界第二個(gè)掌握這項(xiàng)技術(shù)的國(guó)家。最近，“上海X射線自由激光”項(xiàng)目獲批，擬建總長(zhǎng)為300米的XFEL裝置，最短工作波長(zhǎng)為9納米。中科院上海應(yīng)物所研究員王東對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者說(shuō)：“這些工作為建設(shè)HXFEL打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，我國(guó)建HXFEL已沒(méi)有任何技術(shù)障礙。”

　　考慮到在現(xiàn)有客觀條件下，HXFEL的立項(xiàng)還將經(jīng)歷較長(zhǎng)過(guò)程，國(guó)際合作成為盡快發(fā)展HXFEL的良好模式。最近，中科院與瑞士保羅謝勒研究所共同提議在“瑞士自由電子激光(SwissFEL)”裝置上建設(shè)一條“中國(guó)硬X射線自由電子激光光束站”，預(yù)計(jì)中方投入經(jīng)費(fèi)約1.5億元人民幣。據(jù)悉，該方案我國(guó)只需用十二分之一的投資便能獲得六分之一的使用機(jī)時(shí)。會(huì)議執(zhí)行主席、中科院物理所研究員、北京凝聚態(tài)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家丁洪評(píng)價(jià)說(shuō)：“更重要的是，這足以使我國(guó)幾乎與世界同步擁有自己的硬X射線自由電子激光實(shí)驗(yàn)平臺(tái)?！?/P>

　　與會(huì)專家呼吁，目前，我國(guó)應(yīng)盡快發(fā)展HXFEL，以搶占這一領(lǐng)域的科技制高點(diǎn)。