軟X射線自由電子激光中控室調(diào)試現(xiàn)場

　　基于先進加速器的光子大科學(xué)裝置是探索微觀世界最先進的工具之一，用它可以給分子拍攝“照片”。而X射線自由電子激光作為最新一代的光子大科學(xué)裝置，還可將微觀世界快速變化的過程拍攝成分子“電影”。

　　過去一年來，一群研制微觀世界“攝像機”的人——中科院上海高等研究院軟X射線自由電子激光攻關(guān)青年團隊，屢創(chuàng)佳績，在國際上首次實現(xiàn)了自由電子激光混合級聯(lián)放大輸出；提出并驗證了相干能量調(diào)制的自放大；實現(xiàn)了2納米飽和出光，建成國際上首個“水窗”波段全覆蓋的軟X射線自由電子激光裝置……

　　5月3日，這支由中國工程院院士、上海光源中心主任趙振堂帶領(lǐng)的青年團隊，憑借在軟X射線自由電子激光領(lǐng)域的突出貢獻獲得第26屆中國青年五四獎?wù)拢w），可謂實至名歸。

　　革命性的研究工具

　　“軟X射線自由電子激光是目前最先進的X射線光源之一，它的研制和調(diào)試面臨巨大挑戰(zhàn)。”該團隊骨干成員、中科院上海高等研究院研究員馮超對《中國科學(xué)報》說，“去年5月，我們成功實現(xiàn)了最短波長為2納米的自由電子激光出光放大，之后科學(xué)家采用此光源實現(xiàn)了高于20納米的成像分辨率，相當(dāng)于能看清1根頭發(fā)絲的三千分之一。”

　　軟X射線是指波長在10納米到0.1納米之間的X射線，軟X射線自由電子激光可用于觀測微觀物質(zhì)的動態(tài)變化過程。作為新一代光源，X射線自由電子激光的峰值亮度比第三代同步輻射光源高10億至100億倍；脈沖長度達到飛秒量級，只有第三代同步輻射光源的千分之一，而且相干性更好。

　　“X射線自由電子激光這種大科學(xué)裝置是當(dāng)前國際上最先進的科學(xué)平臺之一。”該團隊骨干成員、中科院上海高等研究院研究員鄧海嘯告訴《中國科學(xué)報》，“它將為物理、化學(xué)、能源、生命科學(xué)等領(lǐng)域提供革命性的研究工具。”

　　2016年，團隊承擔(dān)了“十二五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——X射線自由電子激光試驗裝置，以及上海張江綜合性國家科學(xué)中心首批啟動的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——上海軟X射線自由電子激光用戶裝置的研制任務(wù)。

　　經(jīng)過5年多的建設(shè)和精細(xì)調(diào)試，團隊高質(zhì)量地建成了我國首臺X射線波段自由電子激光試驗裝置。這是我國首個可以覆蓋“水窗”波段的高增益自由電子激光裝置，該裝置的一系列進展表明，我國在X射線自由電子激光裝置研制方面已步入國際先進行列。

　　實現(xiàn)“水窗”全覆蓋

　　該試驗裝置采用團隊自主提出的EEHG-HGHG混合級聯(lián)這一先進運行機制，并在國際上率先實現(xiàn)了機制的原理驗證，試驗裝置于2020年11月通過國家驗收。驗收專家組一致認(rèn)為，團隊“首創(chuàng)EEHG-HGHG混合級聯(lián)型FEL的先進運行模式，其輻射帶寬和中心波長穩(wěn)定性顯著優(yōu)于HGHG-HGHG級聯(lián)”。

　　2021年，軟X射線自由電子激光攻關(guān)青年團隊完成了多項里程碑式的成果。1月，團隊完成基于試驗的用戶裝置升級改造和總體集成；3月，完成直線加速器調(diào)試，之后又以國際上少有的速度相繼實現(xiàn)了5.6納米、3.5納米、2.4納米和2.0納米自由電子激光的出光放大，并實現(xiàn)了“水窗”波段全覆蓋，且輸出性能優(yōu)異，成為全球僅有的3臺軟X射線自由電子激光裝置中最早覆蓋“水窗”波段的裝置。

　　“波長在2.3納米到4.4納米范圍內(nèi)，水對X射線是透明的，但構(gòu)成生命的其他重要元素，例如碳等，仍會與X射線相互作用。”馮超解釋說，“因而，水窗波段的X射線可用于活體生物細(xì)胞顯微成像等，具有極其重要的科學(xué)應(yīng)用價值。”

　　支部建在中控室

　　“這支年輕的隊伍對于自己承擔(dān)的研制任務(wù)有自豪感、有執(zhí)行力、有創(chuàng)新意識。”趙振堂說，“該裝置最初定位是進行世界最前沿探索，采用自由電子激光裝置中最先進，也是最復(fù)雜的運行模式。而如何建設(shè)一個穩(wěn)定的自由電子激光裝置，不僅是團隊面臨的重大挑戰(zhàn)，更是國家賦予的歷史使命。”

　　在試驗裝置調(diào)試階段，團隊成立了針對加速器物理和關(guān)鍵硬件系統(tǒng)的調(diào)試攻關(guān)小組，制訂了周密的調(diào)試計劃，并設(shè)置了關(guān)鍵節(jié)點，以盡快實現(xiàn)系統(tǒng)間協(xié)同工作。

　　攻關(guān)小組負(fù)責(zé)人、中科院上海高等研究院研究員劉波說：“5年來，團隊成員幾乎全部放棄了休假，以‘困難迎頭上’‘問題不過夜’的態(tài)度，利用一切時間解決問題，提高裝置調(diào)試效率。

　　作為一個500多米長的“大塊頭”，軟X自由電子激光裝置的實驗調(diào)試極其復(fù)雜，其過程涉及數(shù)千個變量，任何一個變量出現(xiàn)問題都會影響實驗結(jié)果。項目建設(shè)伊始，一些設(shè)備尚不穩(wěn)定，研究人員在無數(shù)次調(diào)試中發(fā)現(xiàn)：一方面停機恢復(fù)后電子束狀態(tài)變化明顯；另一方面，白天外部環(huán)境等引起的地基微震動和電網(wǎng)波動，都會影響調(diào)試結(jié)果。

　　因此，該團隊決定全天不停機，每天兩班倒。通常經(jīng)過兩三天調(diào)試穩(wěn)定后，研究人員會利用凌晨0點至5點間最穩(wěn)定的時段開展實驗。

　　隨著疫情發(fā)展，上海光源中心園區(qū)面臨封控，這給調(diào)試任務(wù)帶來了巨大挑戰(zhàn)。面對這一情況，團隊將“支部建在中控室”，迅速組建攻堅小組返回園區(qū)，進行全封閉連續(xù)攻堅。

　　3月27日，中心迎來短暫的輪換窗口期，此時值班人員已經(jīng)堅守了10天。但他們毫不猶豫作出了選擇：開車回家，接過家人準(zhǔn)備的衣物，連車都沒有下就調(diào)頭返回中心繼續(xù)工作。

　　“團隊有27人，其中35歲以下占比63%。”該團隊骨干成員、中科院上海高等研究院研究員張猛說，“這是一群把自己交給自由電子激光事業(yè)的‘追光人’，大家在問題面前不畏縮、不逃避，充分利用一切條件解決問題。面對疫情，有人在一線值守40多天，有人將新婚不久的妻子留在家中，充分體現(xiàn)了‘上海光源精神’中的奉獻精神。”

　　在疫情期間，該團隊又實現(xiàn)國際上波長最短的回聲型自由電子激光出光放大和首個反漸變型波蕩器增強的諧波自種子自由電子激光出光放大。這些成果標(biāo)志著裝置整體性能達到國際一流水平，也標(biāo)志著我國在X射線自由電子激光研制和使用方面已步入國際先進行列。