伴隨著硬X射線自由電子激光裝置進(jìn)入全面建設(shè)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(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置等一起，形成全球規(guī)模最大、種類最全、綜合能力最強(qiáng)的光子大科學(xué)設(shè)施群。

“世界領(lǐng)先的光子科學(xué)中心將在張江崛起。”4月27日，由上海科技大學(xué)和張江實(shí)驗(yàn)室主辦的“X射線自由電子激光的科學(xué)機(jī)遇與技術(shù)挑戰(zhàn)”學(xué)術(shù)論壇上，多位知名學(xué)者就硬X射線自由電子激光裝置的功能、亮點(diǎn)等做了解讀。

揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)和生命現(xiàn)象的理想探針

作為能夠在原子／分子尺度上揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)和生命現(xiàn)象的理想探針，X射線已經(jīng)對物理、化學(xué)、生命等學(xué)科產(chǎn)生了深刻的影響。

“人類要進(jìn)一步探索微觀世界，尤其是在材料、環(huán)境、生物等眾多學(xué)科領(lǐng)域，一些基礎(chǔ)科研項(xiàng)目在進(jìn)行的過程中，已經(jīng)開始對光源有了更高、更特殊的要求。”上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院教授、硬X射線自由電子激光裝置項(xiàng)目光束線站FEL—I分總體負(fù)責(zé)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(yōu)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(gè)數(shù)量級，而脈沖頻率則要短3至4個(gè)數(shù)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(xué)科提供高分辨成像、超快過程探索、先進(jìn)結(jié)構(gòu)解析等尖端研究手段。上海科技大學(xué)黨委書記、硬X射線自由電子激光裝置項(xiàng)目總經(jīng)理朱志遠(yuǎn)以實(shí)驗(yàn)探測能力舉了一個(gè)例子：圍繞譜學(xué)能量分辨率1MeV（兆電子伏特）做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，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(shí)。

中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所所長、硬X射線自由電子激光裝置項(xiàng)目首席科學(xué)家、上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院特聘教授趙振堂說，該裝置的應(yīng)用范圍極廣。比如在化學(xué)領(lǐng)域，借助這一科研利器，科學(xué)家能夠通過實(shí)驗(yàn)觀測、掌握化學(xué)鍵斷裂的過程。

“去年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了冷凍電鏡技術(shù)，從某種意義上說，到目前為止，科學(xué)界對于細(xì)胞結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)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(xué)家就有機(jī)會(huì)觀測細(xì)胞存活時(shí)的狀態(tài)。只有了解了物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)后，在原子、分子層面有了更深刻的認(rèn)識(shí)，科學(xué)家才能控制這些結(jié)構(gòu)。”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(shè)深埋在地下29米的地下隧道。該裝置不僅創(chuàng)下新中國成立以來大科學(xué)裝置的投資之最，在施工上也創(chuàng)下了工程難度之最。

“和普通的土建設(shè)施不同，這是一個(gè)在科學(xué)上有特殊應(yīng)用的大科學(xué)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(xiàng)目設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人、上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)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(gè)超常規(guī)、超長、超深的項(xiàng)目。由于該裝置的特殊性，經(jīng)過前期的研究，要在浦東張江選址、建造一條筆直的、內(nèi)部要能裝載各種光學(xué)儀器設(shè)備的隧道，只有建在地下才有可能。普通的土建設(shè)施一般在施工精度上達(dá)到厘米級，而硬X射線自由電子激光裝置則要達(dá)到毫米甚至微米級。而為了滿足科學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求，該裝置設(shè)有五個(gè)工作井，每個(gè)井開挖深度達(dá)到45米左右。“在上海軟土層的地基，要確保這一長達(dá)3．1公里的大裝置不出現(xiàn)沉降，在建設(shè)上都意味著難度和挑戰(zhàn)。”

據(jù)了解，硬X射線自由電子激光裝置建設(shè)周期為七年，工期包括該裝置本身的研發(fā)，隧道工程部分的建設(shè)時(shí)間為3．5年，預(yù)計(jì)2024年年底建成。

大裝置集群在功能上將實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)

近年來，由于X射線電子激光的發(fā)展已經(jīng)從原理論證、方法探索階段走向前沿科學(xué)突破的快速發(fā)展階段，學(xué)界普遍認(rèn)為，在能源、環(huán)境、健康和新材料發(fā)現(xiàn)等解決國家戰(zhàn)略需求的前沿領(lǐng)域，它將發(fā)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(xué)中心的重要建設(shè)內(nèi)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(yōu)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(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置等在功能上實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，滿足不同用戶的需求。”趙振堂認(rèn)為，大裝置集群將為上海科技創(chuàng)新中心自主創(chuàng)新能力的大幅提升創(chuàng)造戰(zhàn)略機(jī)遇，未來將在參與全球科技創(chuàng)新競爭時(shí)發(fā)揮不可替代的作用。