科學網—雷射與X射線期待完美相遇

2020-11-25 科學網

 

■本報記者 甘曉

 

在人類科技史上，雷射和X射線都是物理學上偉大的發明和發現。雷射源自物質「受激」輻射，具有亮度高、準直性和相干性好等特點，但一般處於紅外線和可見光波段。而來自於高速電子強烈加速或撞擊的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，其穿透力和解析度都大大增強，但準直性和相干性遠不如雷射。

 

能不能將這兩種高性能的光結合起來呢？近日，香山科學會議以「硬X射線自由電子雷射的現狀與對策」為題召開了第432次討論會。與會專家一致認為，硬X射線自由電子雷射（HXFEL）將在更廣範圍、更深層次並以更高的效率給結構生物學、凝聚態物理、超快化學、能源材料等領域帶來革新。

 

無法比擬的優勢

 

會議執行主席、中科院院士陳佳洱介紹，隨著加速器技術的發展，自由電子雷射在高平均功率及短波長方面取得了巨大進展。

 

而在所有波段的X射線自由電子雷射（XFEL）中，能量最高的硬X射線自由電子雷射受到格外關注。2009年4月，世界上第一個HXFEL裝置在美國SLAC國家加速器實驗室誕生，最短工作波長達到0.15納米，標誌著X光光源已經開始更新換代。

 

中科院上海應用物理研究所所長趙振堂向《中國科學報》記者介紹：「和上一代光源相比，HXFEL具有卓越的先進性能，可謂更高、更快、更強了。」

 

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，脈衝寬度是上一代光源的萬分之一，這意味著雷射脈衝速度快、功率高，能達到更高的時間精度。再次，HXFEL中光子相位一致，如同一支訓練有素的部隊，具有極強的「戰鬥力」，這被物理學家稱為「全相干」。雷射專家、英國倫敦帝國理工學院教授約翰·蒂施曾評價：「HXFEL具有其他任何光源都無法比擬的優勢。」

 

期待「新科學」產生

 

縱觀多年諾貝爾獎會發現，歷史上已有20次諾貝爾獎頒給了和X射線研究相關的科學家，10次頒給了與雷射有關的研究。當雷射遇上X射線，各領域科學家們都期待革命性的「新科學」產生。

 

中科院高能物理所研究員董宇輝表示：「HXFEL是蛋白質結構解析研究人員夢寐以求的技術。」目前，解析蛋白質結構的困難之一便是生長大尺寸、高質量的單晶。HXFEL對納米尺度的晶體開展測量會給膜蛋白、蛋白質複合物結構提供極大便利。

 

中科院院士範福海是X射線衍射分析的「忠實用戶」。他向《中國科學報》記者表示：「有了HXFEL，測定膜蛋白的晶體結構就可能不用再培育所謂的『優質大單晶』了。」

 

同時，動態X射線結構分析也受到化學家的關注。「HXFEL能以極小的原子尺度、在時間極短的飛秒時段給物質結構『拍』一張三維『快照』。」範福海解釋。基於此，化學家有望對化學反應過程進行實時動態觀測。

 

當然，HXFEL的用戶們也為新工具的製造提出了條件。董宇輝指出，在解析單分子結構上，主要的問題在於目前HXFEL的脈衝強度還不夠高，離原子解析度還有一定距離。

 

儘快搶佔科技制高點

 

不過，現階段，我國還沒有建設波長更短的HXFEL的計劃，只在能量稍弱的紫外和軟X射線波段取得進展。

 

在我國科學大裝置「上海光源」項目中，上海應用物理研究所技術團隊完成「高增益諧波產生自由電子雷射放大飽和」實驗，使我國成為繼美國後世界第二個掌握這項技術的國家。最近，「上海X射線自由雷射」項目獲批，擬建總長為300米的XFEL裝置，最短工作波長為9納米。中科院上海應物所研究員王東對《中國科學報》記者說：「這些工作為建設HXFEL打下了堅實的基礎，我國建HXFEL已沒有任何技術障礙。」

 

考慮到在現有客觀條件下，HXFEL的立項還將經歷較長過程，國際合作成為儘快發展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「瑞士自由電子雷射（SwissFEL）」裝置上建設一條「中國硬X射線自由電子雷射光束站」，預計中方投入經費約1.5億元人民幣。據悉，該方案我國只需用十二分之一的投資便能獲得六分之一的使用機時。會議執行主席、中科院物理所研究員、北京凝聚態國家實驗室首席科學家丁洪評價說：「更重要的是，這足以使我國幾乎與世界同步擁有自己的硬X射線自由電子雷射實驗平臺。」

 

與會專家呼籲，目前，我國應儘快發展HXFEL，以搶佔這一領域的科技制高點。

 

《中國科學報》 (2012-09-25 A1 要聞)

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