X射线自由电子激光装置
作者：忘忧期刊网 来源：文阅范文部 日期：2022-10-20 09:01人气：
摘 要：X射线自由电子激光是一种新兴的产生X射线的技术，其以超高亮度、超短的脉冲时长和极佳的相干特性在凝聚态物理、化学、结构生物学、医学、环境保护等多学科有着广泛的应用，由此也吸引了世界各国科学界将大量人力和资金投入到了对XFEL装置的建设中，如目前国内正在紧密建设优化的上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)。X射线自由电子激光拥有两大重要元素：X射线和自由电子激光。从这两个角度介绍X射线自由电子激光的发展和物理原理，总结其在物理、化学、生命科学和材料科学领域的应用并展望其未来的发展方向。
关键词: X射线;自由电子激光; X射线自由电子激光装置;
X-ray Free Electron Laser
Wang Yuqin
Department of Physics, Bejjing Normal University
Abstract：X-ray Free Electron Laser is an emerging technology in the field of X-ray. With the ultrahigh brightness, short pulse and excellent coherence, X-ray has been widely used in condensed matter physics, chemistry, structural biology, medicine and environmental protection. Its widespread application attracted countless research institutions to invest a lot of money and manpower in the construction of XFEL,such as Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser(SXFEL) in China, which has been tested recently. X-ray Free Electron Laser has two important elements: X-ray and Free Electron Laser. Introduce the development and physical principle of X-ray Free Electron Laser from these two perspectives, summarize its latest application in the fields of physics, chemistry, bioscience and material science, and look forward to its trend.
Keyword：X-ray; free electron laser; X-ray free electron laser;
1 X射线自由电子激光装置及其原理
1.1 X射线
X射线是指电磁波谱中0.01nm至几十纳米区域的辐射，人们根据其波长的不同将其分为超硬X射线(<0.1nm)，硬X射线(0.1-1nm)和软X射线(>1nm)。1895年11月，放电管中的微弱闪光宣告了X射线的问世，伦琴夫人手戴戒指的手骨像让人类眼前的世界褪去一层层宏观的外壳，隐匿于其中分子原子跳跃着，构筑了神秘却又至关重要的微观世界。正如《简明不列颠百科全书》的权威性评论：“（X射线）宣布了现代物理学时代的到来，使医学发生了革命”[1]。发现X射线的一个多世纪来，众多领域的科学家纷纷把X射线作为深入各领域不断探索的新钥匙，也不断努力去揭示这种神秘射线的本质及其与各种物质相互作用的机理，更积极拓展相关领域应用，渴求X射线能够在更多领域创造奇迹，揭示真理。据统计，一百多年来，X射线至少已经缔造出了诺贝尔化学奖16项、物理学奖13项、生理学与医学奖4项[2]，可见对X射线的研究和应用显著推动着新兴学科领域的诞生和整个科学技术与社会的不断进步。
既然X射线有着广泛的应用，那么如何产生符合研究需要的X射线是至关重要的问题。目前为止，生成X射线的方法根据其生成装置被分为四种。最初的装置是X射线管，它包括了阴极和阳极二种电极，使高速电子在真空或充气的条件下内撞击金属靶面，进而发生轫致辐射，生成X射线。1895年伦琴发现X射线所使用的克鲁克斯管就是X射线管的“始祖”，这一方法延续至今仍是产生X射线最普遍的方法。但该装置无法产生高强度、高偏振、相干性好的X射线束，使之在生物科学和材料学的应用相对疲软[3]。另一种方法为激光等离子体，该方法成本低、易于操作，也能够产生稳定性较好，亮度高的X射线。其理论基础为：当高强度的激光脉冲集中打到固体靶上时，靶的表面快速离化并生成高温高致密的等离子体，进而通过轫致辐射产生X射线。但由于此方法生成的X射线与靶材料的性质紧密相关：若使用固体靶，则会溅射残屑，可能破坏和污染光学系统和试样；但气体靶的转换率又较低[4]。第三种方法为同步辐射。其基本原理是当电子以接近光速的速度在电磁场中运动并发生偏转时，在切向方向会发出电磁辐射。这种电磁辐射的波长范围可以通过控制电子速度和磁场强度进行调制，使发射的电磁辐射主要为X射线波段。同步辐射光源的技术主体是电子储存环，在40余年来共进行过三代的开发。第一代是为高能物理研究而研制的，只是“寄生”地利用从偏转磁铁引出的同步辐射光，故又称“兼用光源”；第二代设计是专为使用同步辐射光而设计的，主要通过偏转磁铁引出同步辐射光；而第三代则对电子束发散度和插入件进行了优化设计，是能产生高亮度准单色光的基于电子储存环的专用机。同步辐射光具有频谱宽且连续可调（具有从远红外、可见光、紫外直到X射线范围内的连续光谱）、高亮度、高准直度、高偏振性以及高稳定性等良好特性[5]。最后一种方法即为自由电子激光，本研究将在接下来的部分进行详细介绍。
1.2 自由电子激光装置及其原理
自由电子激光(free-electron laser，简称FEL)是一种使用相对论电子束通过周期性变化的磁场以受激辐射方式放大电磁波的新型强相干光源，通常由加速器、放大（波荡）器和光束线站系统三部分组成，其典型结构见图1。按照放大增益，可将自由电子激光分为低增益和高增益两种放大机制的自由电子激光：低增益自由电子激光的放大器部分由波荡器和光学谐振腔组成；高增益自由电子激光的放大器仅由波荡器或外加常规种子激光系统组成。
第一部分通常为产生高速自由电子激光的直线加速器，由电子枪和主加速器所构成，电子枪给系统供给质量极佳的电子束，而主加速器则将此电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]。
图1 自由电子激光基本结构
被加速的电子束随后便进入到波荡器中，也是自由电子激光器的核心部分。其原理为：当电子束在经过一对由N极和S极构成的偏转磁铁时，会沿着其圆周运动轨道的切线方向发射出波长在一定范围内连续分布的同步辐射。而波荡器是由一系列N极和S极λw交替排列的磁铁组成，假设磁场变化的周期为。当经加速的电子沿图2所示的Z方向射入扭摆磁铁区时会在洛仑兹力的作用下在X-Z平面内波浪形摆动，并释放出电磁辐射，即同步辐射。在特定条件下处于不同位置向Z方向发射的电磁波可以有相同的相位，并且还能够从电子束中获得能量，使它们的能量得以增加，这个条件为相干和受激放大条件。那么在自由电子激光器中是怎么实现这两个条件的呢[7]?
图2 波荡器装置原理
首先是相干条件，假设A,B为相距一个磁场空间周期的两个点，见图3。电子在这两处的运动情况一样且都会产生电磁辐射，设电磁波波长λl且电子刚到A,B两处时产生的电磁波共同相位为δ。当A在磁场中运动到B点处时，A点产生的电磁波运动到A′。A,B两点发出的光要相干，就要A′点的电磁波和B点产生的电磁波具有相同的相位δ，即要。设电子沿Z方向的速度为v，可以得到
上式便为实现相干的条件。当电磁波沿Z方向发时，带入相干条件为
接下来要介绍自由电子激光器是如何将电子束能量放大的，即如何实现受激放大。受激放大的原理为磁场中沿Z方向产生的同步辐射光和电子相互作用，使电子动能在相互作用中减小，进而使同步辐射光能量增加，达到受激放大的效果。根据能量守恒定律，单位时间内电场对电子所做功和电子能量变化的关系如下
其中E为同步辐射光的电矢量，γ为电子共振能量。
如果v·E对时间的积分大于0，那么电子束的能量减少，同步辐射的能量增加，即实现了受激放大。当同步辐射光和电子在X-Z平面运动时，同步辐射光沿X方向来回振动，且每隔半个波长改变一次振动方向。电子行动半个磁场变化的空间周期时，其沿X方向的速度也改变一次。为了保证受激放大，即v·E大于0，当电子沿Z方向走过磁场变化的空间周期时，同步辐射光应该比电子多走半个波长或者其奇数倍，见图4。图4上部分为电子速度方向示意图，下部分为同步辐射光的电矢量的示意图。
由此修改相干条件为既满足相干又满足受激放大的条件为
图3 相干条件示意
其中n'只能取奇数。令n'=1，可得
其中aw为波荡器参数；Bw为扭摆磁场的强度；λl为自由电子激光的波长，它与电子共振能量γ有关。由式（6）可得激光的波长由电子共振能量和波荡器的磁场强度与振荡周期决定。查阅文献可得，自由激光器输出的辐射即可覆盖第三代同步辐射光源广阔的光谱范围，同时又具备常规激光的相干性和超高亮度与飞秒级超短脉冲的特质，并具有按照需求确定时间结构的优异特性。与典型的第三代同步辐射光源相比，X射线自由电子激光的峰值亮度高9个量级，光脉冲短3个量级，相干性提高3个量级以上[6]，可以说自由电子激光突破了常规激光的瓶颈，也让由此方法产生的X射线也有了更广阔的应用领域。
2 X射线自由电子激光的应用
上述利用FEL技术产生X射线的技术就是2022年的科学前沿：X射线自由电子激光(X-ray Free Electron Laser，简称XFEL)，由此产生的激光以其超高亮度、超短的脉冲时长和极佳的相干特性等同步辐射光源所不具备的突出优势，在物理、化学、生物、材料等前沿领域有创新开拓，不可替代的应用前景。
2.1 物理学
从100多年前量子力学的诞生到现代层出不穷的量子材料，对微观世界的认识直接推动了物理学的革命和人类社会的发展，微观探测手段的发展则是其中的关键一环。而X射线是对探索物质内部奥秘最直接手段之一，它不但可以精确测量晶体结构，而且还可以分辨物质中电子结构、以及多种量子序和集体激发。但随着科学的发展，人们对微观的要求也在不断推进，对X射线的要求也在不断提高。由于物质中电荷与自旋的激发和弛豫时间尺度为几百飞秒量级以下，因此若要分辨原子尺度电子行为的超快过程必须要求达到飞秒水平的探测手段，这一量级在21世纪之前都是天方夜谭。但XFEL装置的出现打散了这个长期笼罩的技术乌云。X射线自由电子激光装置的超短脉冲宽度小于100fs，且每个脉冲有高达1012的相干光子，并可以进行相干成像，因此能够在原子尺度上对物质进行超快探测，完成了由对微观世界从“拍照片”到“拍电影”的巨大飞跃，也完成了诸多物理研究的飞跃。
在凝聚态物理研究领域，基于X射线自由电子激光的衍射、相干成像、谱学等方法为探测原子尺度的动态复杂过程带来真正的可能性，为进一步的探索应用提供了方向。2013年，Graves等人利用自由电子激光衍射手段，结合X射线磁圆二色性能谱(XMCD)测量了Gd Fe Co材料对激光的响应，首次在纳米尺度实现了对非平衡磁学过程的超快探测，得到的结果为调控磁性微结构中的超快过程及实现更快的自旋器件提供了实验依据[9]。2015年，Gerber等人利用美国直线加速器相干光源(Linac Coherent Light Source，简称LCLS)的超快X射线散射手段和脉冲强磁场的结合，首次研究了在强磁场下铜氧化物超导体中的条纹相电荷有序态。这一研究解释了以往通过核磁共振实验和X光散射在铜氧化物中观察到的电荷密度波不同，有助于建立起铜氧化物超导体完整的图像[9]。XFEL在非线性光学中的应用也同样出色，其产生的超高亮度X射线波段激光，使得首次可以对这个波段的非线性过程展开研究，也使很多光学新现象出现在研究者们的眼前，如X射线波段混频效应，倍频效应和反常非线性X射线康普顿效应等。
2.2 化学
相比于简单的X射线光谱，由XFEL装置产生的X射线光谱主要的优势是，其可以探测时间尺度更短、发生过程更快的反应或者过程。这些特性为化学家们研究化学反应的具体过程提供了有力的研究工具，也为大量的理论研究找到了实验依据。2015年，Adachi和Ihee等人利用XEFL生产的飞秒级X光散射成功观察到了Au-Au键在水溶液中的形成过程，Canton等人也利用飞秒级X射线发射谱和X光散射观察到了因分子内部电荷转移而引起的非平衡态动力学全过程[10]。2017年，Mara等人在美国LCLS自由激光设备中利用飞秒X射线脉冲，通过对亚铁细胞色素c中Fe-S键的光谱探测，观测了Fe-S键的光解过程。并通过实验确定该铁硫键的焓值比没有蛋白质限制的铁硫键要高4 kcal/mol左右，成功验证了生物系统是通过改变化学键的熵状态来调节其化学功能的[10]。
2.3 生命科学
X射线以其极短的波长，强穿透能力很早就被应用于生物大分子成像技术中。其原理为利用电子对X射线的散射后的强度分布函数能够研究材料和分子的精密内部结构，即对样品内部进行高分辨率的成像。在XFEL尚未问世时，X射线对生物大分子带来的辐射损伤是限制成像分辨率极限的重要因素。虽然通过结晶或超低温测量等手段有效地缓解了这一问题，但对于无法结晶的生物大分子科学家们也束手无策。然而Neutze等人在2000年发表在《自然》上的论文中根据动力学模拟的结果提出使用超短强激光下可以实现损伤前探测的想法。这一猜想很快就被科学家们在德国DESY和美国LCLS这两台自由电子激光设施上开展的实验证实。由这两台XEFL装置产生的飞秒级超短X射线脉冲都可以在样品被完全电离前产生相干衍射图像，极大幅度降低甚至避免了辐射损伤对成像的影响[3]。
2.4 材料科学
XFEL的成像技术除了在生命科学领域有着广泛应用之外，在材料科学也能够大展拳脚。在该领域，XFEL技术的魅力不仅在于其超短的脉冲，更在于其结合超高亮度而产生的可以探测超快微观结构动力学过程的能力。其甚至还可以进行相干成像从而在纳米尺度上反映研究材料的三维结构信息[11]。2010年，Boeglin等人利用时间分辨X射线磁圆二色性方法研究了Co/Pd合金材料在激光激发后磁矩的超快动力学过程，研究了轨道磁矩和自旋磁矩各自不同的动力学[8]。2013年，Clark等人利用超快X射线相干衍射方法首次实现了单个金纳米晶体的三维成像和受红外光激励后形变演化过程的探测，对理解纳米颗粒晶格动力学和催化功能具有重要意义[10]。
3 总结与未来展望
自XEFL问世以来，其生产的X射线以其超高亮度、飞秒级的脉冲时长和极佳的相干特性在凝聚态物理、化学、结构生物学、医学、环境保护等多学科有着广泛的应用，由此也吸引了世界各国科学界将大量人力和资金投入到了对XFEL装置的建设中，如目前我国在调试的上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)。但即使科学家们对XEFL趋之若鹜，世界上现存的XEFL装置仍是屈指可数，这足以说明其建设和优化的难度，也带来了新的科学研究方向。如何得到更高的峰值功率和更短的脉冲时间，如何得到高重复频率FEL装置等问题都是亟待研究的热门方向。总之，XEFL是一项存在无限可能性的技术，而我们也是不断发展的青年。在对XEFL进行展望时，我对这项技术的兴趣和向往也在不断提升，我相信XEFL将在未来继续将微观世界的奥秘展现在人类面前，不断在更多更新的领域开疆扩土。
参考文献
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