伴隨著硬X射線自由電子激光裝置進入全面建設階段，未來，它將與已有的上海同步輻射光源、軟X射線自由電子激光裝置、超強超短激光實驗裝置等一起，形成全球規模最大、種類最全、綜合能力最強的光子大科學設施群。

“世界領先的光子科學中心將在張江崛起。”4月27日，由上海科技大學和張江實驗室主辦的“X射線自由電子激光的科學機遇與技術挑戰”學術論壇上，多位知名學者就硬X射線自由電子激光裝置的功能、亮點等做了解讀。

揭示物質結構和生命現象的理想探針

作為能夠在原子／分子尺度上揭示物質結構和生命現象的理想探針，X射線已經對物理、化學、生命等學科產生了深刻的影響。

“人類要進一步探索微觀世界，尤其是在材料、環境、生物等眾多學科領域，一些基礎科研項目在進行的過程中，已經開始對光源有了更高、更特殊的要求。”上海科技大學物質學院教授、硬X射線自由電子激光裝置項目光束線站FEL—I分總體負責人江懷東介紹，和第三代同步輻射光源相比，X射線自由電子激光具有更高的亮度、更短的脈沖以及更好的相干性三大顯著優勢。比如，在峰值亮度上，X射線自由電子激光的峰值亮度要比第三代同步輻射光源高出8至10個數量級，而脈沖頻率則要短3至4個數量級，可窄至飛秒甚至亞飛秒級。

 

硬X射線自由電子激光裝置的建成，將為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。上海科技大學黨委書記、硬X射線自由電子激光裝置項目總經理朱志遠以實驗探測能力舉了一個例子：圍繞譜學能量分辨率1MeV （兆電子伏特）　做一個實驗，過去用第三代同步輻射光源需要200天，而使用硬X射線自由電子激光裝置只需要3小時。

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、上海科技大學物質學院特聘教授趙振堂說，該裝置的應用范圍極廣。比如在化學領域，借助這一科研利器，科學家能夠通過實驗觀測、掌握化學鍵斷裂的過程。

“去年諾貝爾化學獎頒給了冷凍電鏡技術，從某種意義上說，到目前為止，科學界對于細胞結構的認識還停留在拍攝分子照片的水平。而今后，一旦硬X射線自由電子激光裝置投入使用，科學家就有機會觀測細胞存活時的狀態。只有了解了物質的基本結構后，在原子、分子層面有了更深刻的認識，科學家才能控制這些結構。”江懷東說。

施工精度要求之高前所未有

總長3．1公里的硬X射線自由電子激光裝置，將建設深埋在地下29米的地下隧道。該裝置不僅創下新中國成立以來大科學裝置的投資之最，在施工上也創下了工程難度之最。

 

“和普通的土建設施不同，這是一個在科學上有特殊應用的大科學裝置，所以對施工精度的要求也是前所未有的。”用硬X射線自由電子激光裝置項目設計負責人、上海市隧道工程軌道交通設計研究院副院長楊志豪的話來說，硬X射線自由電子激光裝置是一個超常規、超長、超深的項目。由于該裝置的特殊性，經過前期的研究，要在浦東張江選址、建造一條筆直的、內部要能裝載各種光學儀器設備的隧道，只有建在地下才有可能。普通的土建設施一般在施工精度上達到厘米級，而硬X射線自由電子激光裝置則要達到毫米甚至微米級。而為了滿足科學實驗的要求，該裝置設有五個工作井，每個井開挖深度達到45米左右。“在上海軟土層的地基，要確保這一長達3．1公里的大裝置不出現沉降，在建設上都意味著難度和挑戰。”

據了解，硬X射線自由電子激光裝置建設周期為七年，工期包括該裝置本身的研發，隧道工程部分的建設時間為3．5年，預計2024年年底建成。

大裝置集群在功能上將實現互補

近年來，由于X射線電子激光的發展已經從原理論證、方法探索階段走向前沿科學突破的快速發展階段，學界普遍認為，在能源、環境、健康和新材料發現等解決國家戰略需求的前沿領域，它將發揮不可替代的作用。

記者從4月27日的論壇獲悉，作為張江綜合性國家科學中心的重要建設內容，我國的硬X射線自由電子激光裝置起步并不算晚，而且在性能上優于歐美。“未來，硬X射線自由電子激光裝置將與軟X射線自由電子激光裝置、超強超短激光實驗裝置等在功能上實現互補，滿足不同用戶的需求。”趙振堂認為，大裝置集群將為上海科技創新中心自主創新能力的大幅提升創造戰略機遇，未來將在參與全球科技創新競爭時發揮不可替代的作用。