X 射線(xiàn)自由電子激光裝置

王雨芹

（北京師范大學(xué) 物理學(xué)系,北京 100875）

1 X 射線(xiàn)自由電子激光裝置及其原理

1.1 X 射線(xiàn)

X 射線(xiàn)是指電磁波譜中 0.01nm至幾十納米區(qū)域的輻射,人們根據(jù)其波長(zhǎng)的不同將其分為超硬X 射線(xiàn)(＜ 0.1nm),硬X 射線(xiàn) (0.1 -1nm) 和軟X 射線(xiàn) (＞ 1nm)。1895 年11 月,放電管中的微弱閃光宣告了X 射線(xiàn)的問(wèn)世,倫琴夫人手戴戒指的手骨像讓人類(lèi)眼前的世界褪去一層層宏觀(guān)的外殼,隱匿于其中分子原子跳躍著,構(gòu)筑了神秘卻又至關(guān)重要的微觀(guān)世界。正如《簡(jiǎn)明不列顛百科全書(shū)》的權(quán)威性評(píng)論：“（X 射線(xiàn)）宣布了現(xiàn)代物理學(xué)時(shí)代的到來(lái),使醫(yī)學(xué)發(fā)生了革命”[1]。發(fā)現(xiàn)X射線(xiàn)的一個(gè)多世紀(jì)來(lái),眾多領(lǐng)域的科學(xué)家紛紛把X射線(xiàn)作為深入各領(lǐng)域不斷探索的新鑰匙,也不斷努力去揭示這種神秘射線(xiàn)的本質(zhì)及其與各種物質(zhì)相互作用的機(jī)理,更積極拓展相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用,渴求X 射線(xiàn)能夠在更多領(lǐng)域創(chuàng)造奇跡,揭示真理。據(jù)統(tǒng)計(jì),一百多年來(lái),X 射線(xiàn)至少已經(jīng)締造出了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)16 項(xiàng)、物理學(xué)獎(jiǎng)13 項(xiàng)、生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)4 項(xiàng)[2],可見(jiàn)對(duì)X 射線(xiàn)的研究和應(yīng)用顯著推動(dòng)著新興學(xué)科領(lǐng)域的誕生和整個(gè)科學(xué)技術(shù)與社會(huì)的不斷進(jìn)步。

既然X 射線(xiàn)有著廣泛的應(yīng)用,那么如何產(chǎn)生符合研究需要的X 射線(xiàn)是至關(guān)重要的問(wèn)題。目前為止,生成X 射線(xiàn)的方法根據(jù)其生成裝置被分為四種。最初的裝置是X 射線(xiàn)管,它包括了陰極和陽(yáng)極二種電極,使高速電子在真空或充氣的條件下內(nèi)撞擊金屬靶面,進(jìn)而發(fā)生軔致輻射,生成X 射線(xiàn)。1895 年倫琴發(fā)現(xiàn)X 射線(xiàn)所使用的克魯克斯管就是X 射線(xiàn)管的“始祖”,這一方法延續(xù)至今仍是產(chǎn)生X 射線(xiàn)最普遍的方法。但該裝置無(wú)法產(chǎn)生高強(qiáng)度、高偏振、相干性好的X 射線(xiàn)束,使之在生物科學(xué)和材料學(xué)的應(yīng)用相對(duì)疲軟[3]。另一種方法為激光等離子體,該方法成本低、易于操作,也能夠產(chǎn)生穩(wěn)定性較好,亮度高的X 射線(xiàn)。其理論基礎(chǔ)為：當(dāng)高強(qiáng)度的激光脈沖集中打到固體靶上時(shí),靶的表面快速離化并生成高溫高致密的等離子體,進(jìn)而通過(guò)軔致輻射產(chǎn)生X 射線(xiàn)。但由于此方法生成的X 射線(xiàn)與靶材料的性質(zhì)緊密相關(guān)：若使用固體靶,則會(huì)濺射殘屑,可能破壞和污染光學(xué)系統(tǒng)和試樣；但氣體靶的轉(zhuǎn)換率又較低[4]。第三種方法為同步輻射。其基本原理是當(dāng)電子以接近光速的速度在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)并發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí),在切向方向會(huì)發(fā)出電磁輻射。這種電磁輻射的波長(zhǎng)范圍可以通過(guò)控制電子速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制,使發(fā)射的電磁輻射主要為X 射線(xiàn)波段。同步輻射光源的技術(shù)主體是電子儲(chǔ)存環(huán),在40 余年來(lái)共進(jìn)行過(guò)三代的開(kāi)發(fā)。第一代是為高能物理研究而研制的,只是“寄生”地利用從偏轉(zhuǎn)磁鐵引出的同步輻射光,故又稱(chēng)“兼用光源”；第二代設(shè)計(jì)是專(zhuān)為使用同步輻射光而設(shè)計(jì)的,主要通過(guò)偏轉(zhuǎn)磁鐵引出同步輻射光；而第三代則對(duì)電子束發(fā)散度和插入件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),是能產(chǎn)生高亮度準(zhǔn)單色光的基于電子儲(chǔ)存環(huán)的專(zhuān)用機(jī)。同步輻射光具有頻譜寬且連續(xù)可調(diào)（具有從遠(yuǎn)紅外、可見(jiàn)光、紫外直到X 射線(xiàn)范圍內(nèi)的連續(xù)光譜）、高亮度、高準(zhǔn)直度、高偏振性以及高穩(wěn)定性等良好特性[5]。最后一種方法即為自由電子激光,本研究將在接下來(lái)的部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.2 自由電子激光裝置及其原理

自由電子激光(free-electron laser,簡(jiǎn)稱(chēng)FEL)是一種使用相對(duì)論電子束通過(guò)周期性變化的磁場(chǎng)以受激輻射方式放大電磁波的新型強(qiáng)相干光源,通常由加速器、放大（波蕩）器和光束線(xiàn)站系統(tǒng)三部分組成,其典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。按照放大增益,可將自由電子激光分為低增益和高增益兩種放大機(jī)制的自由電子激光：低增益自由電子激光的放大器部分由波蕩器和光學(xué)諧振腔組成；高增益自由電子激光的放大器僅由波蕩器或外加常規(guī)種子激光系統(tǒng)組成。

圖1 自由電子激光基本結(jié)構(gòu)

第一部分通常為產(chǎn)生高速自由電子激光的直線(xiàn)加速器,由電子槍和主加速器所構(gòu)成,電子槍給系統(tǒng)供給質(zhì)量極佳的電子束,而主加速器則將此電子束加速至科研所要求的能量并保持其束流性能不退化[6]。

被加速的電子束隨后便進(jìn)入到波蕩器中,也是自由電子激光器的核心部分。其原理為：當(dāng)電子束在經(jīng)過(guò)一對(duì)由N 極和S 極構(gòu)成的偏轉(zhuǎn)磁鐵時(shí),會(huì)沿著其圓周運(yùn)動(dòng)軌道的切線(xiàn)方向發(fā)射出波長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)連續(xù)分布的同步輻射。而波蕩器是由一系列N 極和S 極交替排列的磁鐵組成,假設(shè)磁場(chǎng)變化的周期為 λw。當(dāng)經(jīng)加速的電子沿圖2 所示的Z 方向射入扭擺磁鐵區(qū)時(shí)會(huì)在洛侖茲力的作用下在X-Z 平面內(nèi)波浪形擺動(dòng),并釋放出電磁輻射,即同步輻射。在特定條件下處于不同位置向Z 方向發(fā)射的電磁波可以有相同的相位,并且還能夠從電子束中獲得能量,使它們的能量得以增加,這個(gè)條件為相干和受激放大條件。那么在自由電子激光器中是怎么實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)條件的呢[7]？

圖2 波蕩器裝置原理

圖3 相干條件示意

上式便為實(shí)現(xiàn)相干的條件。當(dāng)電磁波沿Z 方向發(fā)射時(shí) θ=0,帶入相干條件為

接下來(lái)要介紹自由電子激光器是如何將電子束能量放大的,即如何實(shí)現(xiàn)受激放大。受激放大的原理為磁場(chǎng)中沿Z 方向產(chǎn)生的同步輻射光和電子相互作用,使電子動(dòng)能在相互作用中減小,進(jìn)而使同步輻射光能量增加,達(dá)到受激放大的效果。根據(jù)能量守恒定律,單位時(shí)間內(nèi)電場(chǎng)對(duì)電子所做功和電子能量變化的關(guān)系如下

其中E 為同步輻射光的電矢量,γ 為電子共振能量。

如果v·E對(duì)時(shí)間的積分大于0,那么電子束的能量減少,同步輻射的能量增加,即實(shí)現(xiàn)了受激放大。當(dāng)同步輻射光和電子在X-Z 平面運(yùn)動(dòng)時(shí),同步輻射光沿X 方向來(lái)回振動(dòng),且每隔半個(gè)波長(zhǎng)改變一次振動(dòng)方向。電子行動(dòng)半個(gè)磁場(chǎng)變化的空間周期時(shí),其沿X 方向的速度也改變一次。為了保證受激放大,即v·E 大于0,當(dāng)電子沿Z 方向走過(guò)磁場(chǎng)變化的空間周期時(shí),同步輻射光應(yīng)該比電子多走半個(gè)波長(zhǎng)或者其奇數(shù)倍,見(jiàn)圖4。圖4 上部分為電子速度方向示意圖,下部分為同步輻射光的電矢量的示意圖。

圖4 解釋實(shí)現(xiàn)受激放大必須滿(mǎn)足“半波長(zhǎng)”

由此修改相干條件為既滿(mǎn)足相干又滿(mǎn)足受激放大的條件為

其中n'只能取奇數(shù)。令n'=1,可得

其中aw為波蕩器參數(shù)；Bw為扭擺磁場(chǎng)的強(qiáng)度；λl為自由電子激光的波長(zhǎng),它與電子共振能量有關(guān)。由式（6）可得激光的波長(zhǎng)由電子共振能量和波蕩器的磁場(chǎng)強(qiáng)度與振蕩周期決定。查閱文獻(xiàn)可得,自由激光器輸出的輻射即可覆蓋第三代同步輻射光源廣闊的光譜范圍,同時(shí)又具備常規(guī)激光的相干性和超高亮度與飛秒級(jí)超短脈沖的特質(zhì),并具有按照需求確定時(shí)間結(jié)構(gòu)的優(yōu)異特性。與典型的第三代同步輻射光源相比,X 射線(xiàn)自由電子激光的峰值亮度高9 個(gè)量級(jí),光脈沖短3 個(gè)量級(jí),相干性提高3 個(gè)量級(jí)以上[6],可以說(shuō)自由電子激光突破了常規(guī)激光的瓶頸,也讓由此方法產(chǎn)生的X 射線(xiàn)也有了更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

2 X 射線(xiàn)自由電子激光的應(yīng)用

上述利用FEL 技術(shù)產(chǎn)生X 射線(xiàn)的技術(shù)就是2022年的科學(xué)前沿：X 射線(xiàn)自由電子激光 (X-ray Free Electron Laser,簡(jiǎn)稱(chēng)XFEL),由此產(chǎn)生的激光以其超高亮度、超短的脈沖時(shí)長(zhǎng)和極佳的相干特性等同步輻射光源所不具備的突出優(yōu)勢(shì),在物理、化學(xué)、生物、材料等前沿領(lǐng)域有創(chuàng)新開(kāi)拓,不可替代的應(yīng)用前景。

2.1 物理學(xué)

從100 多年前量子力學(xué)的誕生到現(xiàn)代層出不窮的量子材料,對(duì)微觀(guān)世界的認(rèn)識(shí)直接推動(dòng)了物理學(xué)的革命和人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展,微觀(guān)探測(cè)手段的發(fā)展則是其中的關(guān)鍵一環(huán)。而X 射線(xiàn)是對(duì)探索物質(zhì)內(nèi)部奧秘最直接手段之一,它不但可以精確測(cè)量晶體結(jié)構(gòu),而且還可以分辨物質(zhì)中電子結(jié)構(gòu)、以及多種量子序和集體激發(fā)。但隨著科學(xué)的發(fā)展,人們對(duì)微觀(guān)的要求也在不斷推進(jìn),對(duì)X 射線(xiàn)的要求也在不斷提高。由于物質(zhì)中電荷與自旋的激發(fā)和弛豫時(shí)間尺度為幾百飛秒量級(jí)以下,因此若要分辨原子尺度電子行為的超快過(guò)程必須要求達(dá)到飛秒水平的探測(cè)手段,這一量級(jí)在21 世紀(jì)之前都是天方夜譚。但XFEL 裝置的出現(xiàn)打散了這個(gè)長(zhǎng)期籠罩的技術(shù)烏云。X 射線(xiàn)自由電子激光裝置的超短脈沖寬度小于100fs,且每個(gè)脈沖有高達(dá)1012的相干光子,并可以進(jìn)行相干成像,因此能夠在原子尺度上對(duì)物質(zhì)進(jìn)行超快探測(cè),完成了由對(duì)微觀(guān)世界從“拍照片”到“拍電影”的巨大飛躍,也完成了諸多物理研究的飛躍。

在凝聚態(tài)物理研究領(lǐng)域,基于X 射線(xiàn)自由電子激光的衍射、相干成像、譜學(xué)等方法為探測(cè)原子尺度的動(dòng)態(tài)復(fù)雜過(guò)程帶來(lái)真正的可能性,為進(jìn)一步的探索應(yīng)用提供了方向。2013 年,Graves 等人利用自由電子激光衍射手段,結(jié)合X 射線(xiàn)磁圓二色性能譜(XMCD)測(cè)量了GdFeCo 材料對(duì)激光的響應(yīng),首次在納米尺度實(shí)現(xiàn)了對(duì)非平衡磁學(xué)過(guò)程的超快探測(cè),得到的結(jié)果為調(diào)控磁性微結(jié)構(gòu)中的超快過(guò)程及實(shí)現(xiàn)更快的自旋器件提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)[9]。2015 年,Gerber 等人利用美國(guó)直線(xiàn)加速器相干光源(Linac Coherent Light Source,簡(jiǎn)稱(chēng)LCLS)的超快X 射線(xiàn)散射手段和脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)的結(jié)合,首次研究了在強(qiáng)磁場(chǎng)下銅氧化物超導(dǎo)體中的條紋相電荷有序態(tài)。這一研究解釋了以往通過(guò)核磁共振實(shí)驗(yàn)和X 光散射在銅氧化物中觀(guān)察到的電荷密度波不同,有助于建立起銅氧化物超導(dǎo)體完整的圖像[9]。XFEL 在非線(xiàn)性光學(xué)中的應(yīng)用也同樣出色,其產(chǎn)生的超高亮度X 射線(xiàn)波段激光,使得首次可以對(duì)這個(gè)波段的非線(xiàn)性過(guò)程展開(kāi)研究,也使很多光學(xué)新現(xiàn)象出現(xiàn)在研究者們的眼前,如X 射線(xiàn)波段混頻效應(yīng),倍頻效應(yīng)和反常非線(xiàn)性X 射線(xiàn)康普頓效應(yīng)等。

2.2 化學(xué)

相比于簡(jiǎn)單的X 射線(xiàn)光譜,由XFEL 裝置產(chǎn)生的X 射線(xiàn)光譜主要的優(yōu)勢(shì)是,其可以探測(cè)時(shí)間尺度更短、發(fā)生過(guò)程更快的反應(yīng)或者過(guò)程。這些特性為化學(xué)家們研究化學(xué)反應(yīng)的具體過(guò)程提供了有力的研究工具,也為大量的理論研究找到了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。2015 年,Adachi 和Ihee 等人利用XEFL 生產(chǎn)的飛秒級(jí)X 光散射成功觀(guān)察到了Au-Au 鍵在水溶液中的形成過(guò)程,Canton 等人也利用飛秒級(jí)X 射線(xiàn)發(fā)射譜和X 光散射觀(guān)察到了因分子內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移而引起的非平衡態(tài)動(dòng)力學(xué)全過(guò)程[10]。2017 年,Mara 等人在美國(guó)LCLS 自由激光設(shè)備中利用飛秒X 射線(xiàn)脈沖,通過(guò)對(duì)亞鐵細(xì)胞色素c 中Fe-S 鍵的光譜探測(cè),觀(guān)測(cè)了Fe-S 鍵的光解過(guò)程。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定該鐵硫鍵的焓值比沒(méi)有蛋白質(zhì)限制的鐵硫鍵要高4 kcal/mol 左右,成功驗(yàn)證了生物系統(tǒng)是通過(guò)改變化學(xué)鍵的熵狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)其化學(xué)功能的[10]。

2.3 生命科學(xué)

X 射線(xiàn)以其極短的波長(zhǎng),強(qiáng)穿透能力很早就被應(yīng)用于生物大分子成像技術(shù)中。其原理為利用電子對(duì)X射線(xiàn)的散射后的強(qiáng)度分布函數(shù)能夠研究材料和分子的精密內(nèi)部結(jié)構(gòu),即對(duì)樣品內(nèi)部進(jìn)行高分辨率的成像。在XFEL 尚未問(wèn)世時(shí),X 射線(xiàn)對(duì)生物大分子帶來(lái)的輻射損傷是限制成像分辨率極限的重要因素。雖然通過(guò)結(jié)晶或超低溫測(cè)量等手段有效地緩解了這一問(wèn)題,但對(duì)于無(wú)法結(jié)晶的生物大分子科學(xué)家們也束手無(wú)策。然而Neutze 等人在2000 年發(fā)表在《自然》上的論文中根據(jù)動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果提出使用超短強(qiáng)激光下可以實(shí)現(xiàn)損傷前探測(cè)的想法。這一猜想很快就被科學(xué)家們?cè)诘聡?guó)DESY 和美國(guó)LCLS 這兩臺(tái)自由電子激光設(shè)施上開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。由這兩臺(tái)XEFL 裝置產(chǎn)生的飛秒級(jí)超短X 射線(xiàn)脈沖都可以在樣品被完全電離前產(chǎn)生相干衍射圖像,極大幅度降低甚至避免了輻射損傷對(duì)成像的影響[3]。

2.4 材料科學(xué)

XFEL 的成像技術(shù)除了在生命科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用之外,在材料科學(xué)也能夠大展拳腳。在該領(lǐng)域,XFEL 技術(shù)的魅力不僅在于其超短的脈沖,更在于其結(jié)合超高亮度而產(chǎn)生的可以探測(cè)超快微觀(guān)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的能力。其甚至還可以進(jìn)行相干成像從而在納米尺度上反映研究材料的三維結(jié)構(gòu)信息[11]。2010 年,Boeglin 等人利用時(shí)間分辨X 射線(xiàn)磁圓二色性方法研究了Co/Pd 合金材料在激光激發(fā)后磁矩的超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程,研究了軌道磁矩和自旋磁矩各自不同的動(dòng)力學(xué)[8]。2013 年,Clark 等人利用超快X 射線(xiàn)相干衍射方法首次實(shí)現(xiàn)了單個(gè)金納米晶體的三維成像和受紅外光激勵(lì)后形變演化過(guò)程的探測(cè),對(duì)理解納米顆粒晶格動(dòng)力學(xué)和催化功能具有重要意義[10]。

3 總結(jié)與未來(lái)展望

自XEFL 問(wèn)世以來(lái),其生產(chǎn)的X 射線(xiàn)以其超高亮度、飛秒級(jí)的脈沖時(shí)長(zhǎng)和極佳的相干特性在凝聚態(tài)物理、化學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)等多學(xué)科有著廣泛的應(yīng)用,由此也吸引了世界各國(guó)科學(xué)界將大量人力和資金投入到了對(duì)XFEL 裝置的建設(shè)中,如目前我國(guó)在調(diào)試的上海軟X 射線(xiàn)自由電子激光裝置(SXFEL)。但即使科學(xué)家們對(duì)XEFL 趨之若鶩,世界上現(xiàn)存的XEFL 裝置仍是屈指可數(shù),這足以說(shuō)明其建設(shè)和優(yōu)化的難度,也帶來(lái)了新的科學(xué)研究方向。如何得到更高的峰值功率和更短的脈沖時(shí)間,如何得到高重復(fù)頻率FEL 裝置等問(wèn)題都是亟待研究的熱門(mén)方向?？傊?XEFL 是一項(xiàng)存在無(wú)限可能性的技術(shù),而我們也是不斷發(fā)展的青年。在對(duì)XEFL 進(jìn)行展望時(shí),我對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的興趣和向往也在不斷提升,我相信XEFL 將在未來(lái)繼續(xù)將微觀(guān)世界的奧秘展現(xiàn)在人類(lèi)面前,不斷在更多更新的領(lǐng)域開(kāi)疆?dāng)U土。