硬X射线自由电子激光：现状与对策香山科学会议第432次学术讨论会综述
可见光激光改变了20世纪科学与技术发展的模式。X射线使人们对物质的认识深入到了原子水平。在21世纪，X射线激光将怎样影响科学与技术的发展呢？
世界上第一台亚纳米波段硬X射线自由电子激光（HXFEL）装置于2009年4月在美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）建成，该装置简称为LCLS。LCLS发射波长为0.15纳米左右的硬X射线飞秒激光脉冲（1飞秒等于1秒的千万亿分之一），亮度比第三代同步辐射光源亮10亿倍。硬X射线自由电子激光具有以往任何X射线光源都不可比拟的优点，预示着人们可以用亚纳米尺度的空间分辨能力研究飞秒时间尺度的超快动力学过程。这必将带来物质科学和生命科学以及核技术领域的一系列重大变革。
以X光激光为基础的21世纪的X光科技，将在更广的范围、更深的层次，以更高的效率对相关学科的发展起到更大的作用。以结构生物学为例：可用纳米尺度的“粉晶”样品来获得“单晶”衍射，用容易制备的“粉晶”样品解析出超过当前“粉晶分析极限”几个量级的复杂未知结构，使人们对物质形态和性质的整体认识发生质的飞跃；随着研究的不断深入，结构分析必然要从晶体向“单分子”或者“单颗粒”演变。这两方面的研究设想已经在美国的LCLS装置上进行了初步验证，研究结果在Nature杂志上发表后随即引起了学术界的极大关注。另一方面，应用HXFEL的脉冲性质，可以在原子的尺度，在飞秒的时段对分子的结构“拍”一部立体“电影”，这是对许多子物理、化学和生物学过程进行动态研究所必须的，原子层次的实验基础，其重要性不言而喻。
目前除美国的LCLS外，日本也于2011年6月宣布其HXFEL装置（命名为SACLA）发射出波长仅为0.12纳米的激光；欧洲正在兴建更强的HXFEL，近期将可投入使用；瑞典和韩国的装置也正在筹建中。HXFEL刚刚问世，相关的科学研究还没有充分展开，与此相关的实验装置及数据分析方法也处在探索阶段。可以肯定，有关的研究一定会不断地丰富完善、创新发展。
为了占领科技制高点，迅速缩小我国在HXFEL应用领域与国际上的差距，并探讨我国X光科技的未来发展，香山科学会议于2012年9月12～14日在北京召开了主题为“硬X射线自由电子激光：现状与对策”的第432次学术讨论会。北京大学物理学院重离子所陈佳洱教授、中国科学院高能物理所方守贤研究员、中国科学院物理所于渌研究员、中国科学院大连化学物理所杨学明研究员和中国科学院物理所丁洪研究员担任会议执行主席。多学科跨领域的40多位专家学者应邀参加了会议。与会专家围绕：（1）硬X射线自由电子激光：发展现状与国际合作；（2）硬X射线自由电子激光相干衍射成像与蛋白质结构解析；（3）硬X射线自由电子激光超快吸收/发射谱与分子科学和（4）硬X射线自由电子激光在凝聚态物理和材料科学中的应用等中心议题进行学术交流和深入讨论，并提出了意见和建议。
一、硬X射线自由电子激光发展现状与对策
北京大学陈佳洱教授做了“硬X射线自由电子激光发展的思考”的主题评述报告。该报告针对国际上自由电子激光（FEL）的发展状况与趋势以及我国的现状进行了详细分析。陈教授在报告中回顾了FEL发展中的几个里程碑，指出FEL是前所未有的重大突破，将会直接影响物质科学、生命科学、核技术直至强磁场物理等领域的发展。陈教授特别赞赏上海应物所在FEL原理和技术方面取得的突破，他们在国际上首次实现了EEHG（回声谐波）模式FEL，创新地提出用OPA（光参量放大）方法实现波长调节，并发展了一系列相关技术。这为将来中国建设HXFEL打下了坚实基础。他主张中国应该注意EEHG的进一步发展，并提出了以EEHG为基础建造中国的HXFEL的构想。
中科院物理所范海福研究员做了“基于硬X射线自由电子激光的，原子尺度下的物质结构分析”的主题评述报告。他首先简要回顾了X射线科技对20世纪科学与技术的重大影响，指出原子尺度下的物质结构是理解物质性质的关键，并进而猜想和预言：新诞生的X射线激光将会像可见光激光对20世纪光学的作用一样，对21世纪的X射线科学与技术的发展带来革命性的影响。他特别强调指出：没有先进的光源当然谈不上X光科技，但是不要忘了X光科技还包括数据采集装置和数据分析方法两部分。他以LCLS上的第一个X射线结构研究为例，说明数据采集装置和数据分析方法可以先于光源发展。事实上，LCLS上的第一个X射线结构研究实验用的是比LCLS早两年研制成功的德国的数据采集装置，而数据分析方法则更早。
与会专家进行了热烈讨论，并提出了如下观点：（1）与基于储存环的同步辐射光相比，自由电子激光具有亮度高、脉冲短和相干性好的特点，特别适合研究超快现象和小颗粒物质成像。国际上目前发展得很快，我国应积极推进相关装置的建设及科学研究的发展；（2）X射线光源、实验设备与技术，以及数据分析方法是X光科技的三大支柱，应该受到同等重视。
二、硬X射线自由电子激光与国际合作
从科学与技术的角度看，与会者认为中国应积极推动HXFEL建设。等待不是办法，国际合作是一个正确的选择。FEL具有不可替代的优势，但FEL并不是要取代同步辐射光源，而是将催生与此相关的许多新科学。HXFEL无论从规模、投入和装置的复杂程度来讲，都具有极大的挑战性，国际合作是大势所趋。积极参与HXFEL领域的国际合作，有利于提升我国的国际影响力。
2011年11月，瑞士保罗谢乐研究所与物理所、上海应物所和高能所提出在SwissFEL共建CHina光束线站的合作意向。中国十多位专家共同向中科院、基金委和科技部提交了“关于中瑞合作在SwissFEL共建HXFEL光束线站的建议”。中瑞双方都对该项合作表现出浓厚的兴趣，一直处于良性互动状态。与会者对该合作构想表现出浓厚兴趣,一致认为该项合作是我国HXFEL技术与应用实现跨越发展的绝好机遇。该方案所需投资不多，用十五分之一的投资获得六分之一的使用时间。与会专家认为一定要尽快促成此事，积极争取国家支持。
三、硬X射线自由电子激光相干衍射成像与蛋白质结构解析
与会结构生物学家表达了对新光源的渴望，结构生物学家花了太多的精力长晶体，天天在为得不到晶体或者为晶体长不大而发愁。而HXFEL将使他们从繁重的劳动中解放出来,而且HXFEL可能在不到十年的时间内将成为结构生物学的常规光源。虽然中国还没有HXFEL，但不能等待，应立即投入资金支持方法学研究。方法学的意义远大于发几篇Nature文章，一定要提前布置，才有机会独树一帜。
讨论中，与会专家指出，目前纳米颗粒的X射线激光结构分析实验遇到了较多技术上的暂时困难，但同时也提供了机遇。这些技术困难是公开的，中国科学家完全可以有所作为，做出自己创新性的贡献。
四、硬X射线自由电子激光超快吸收/发射谱与分子科学
HXFEL产生超短的激光脉冲，与分子动力学过程的时间尺度相当。化学家早就用可见光和红外脉冲激光研究分子的动态结构，但始终无法接近原子尺度的超快过程。如今，HXFEL为他们的研究提供了更强大的研究工具。与会专家指出，超快FEL激光的发展为研究原子分子体系以及各种材料体系中的超快过程提供了绝佳的研究工具。特别是窄带宽X射线脉冲激光在光电子谱方面将带来超快电子转移研究的革命。
五、硬X射线自由电子激光在凝聚态物理和材料科学中的应用
材料科学家和凝聚态物理学家始终是X射线光源的忠实拥趸者。与化学家一样，他们对X射线激光的超快时间特征特别感兴趣。HXFEL提供的超强、超短脉冲为他们应用衍射、散射和谱学技术研究材料中的超快过程提供了梦想中的实验手段。与会专家介绍了自LCSL启动后出现的最新研究，特别是关于晶体结构、磁结构、电子结构和它们的相变动力学过程等方面的结果。现有的皮秒分辨的同步辐射实验技术远远达不到研究原子和电子非平衡态和激发态所需要的飞秒量级的要求。
材料研究专家指出,工程材料研究中还有很多尚未得到合理解答的更为基础的科学问题，如阿秒时间尺度上的电子成键及相关的电子动力学，超出波恩－奥本海默近似的超短时间内的价键形成和断裂过程，化学反应中原子尺度的晶核移动过程等，都有望通过HXFEL技术解决。与会专家们还讨论了HXFEL在核材料和核技术领域的应用潜力，例如，用超快衍射技术可以实时检测超快粒子轰击材料的一系列初始过程,还可以探测冲击或爆炸瞬间的物态变化。我们期待，HXFEL将会催生更多的实验技术，使材料物理和材料科学进入一个超快的新时代。
六、会议总结与专家建议
本次会议的目的是深入讨论HXFEL的发展态势与应用前景，为相关领域的科学与技术在中国的发展提出思路。经过深入讨论，与会专家一致认为：
1.X射线激光给整个X光科技带来的影响，将不亚于上世纪可见光激光给整个光学所带来的影响。HXFEL将带来物质科学、生命科学以及核科学领域的一系列重大变革，直接催生新的学科，或者改变多个学科的研究范式。为抢占科学先机，我国应尽快发展HXFEL。X射线激光和同步辐射光源各有特色，互相补充，两者将在未来很长一段时间内共同发挥巨大作用。
2.在国家支持下，我国在FEL的相关技术及原理取得了重大进展。首次实现了EEHG（回声谐波）模式FEL，创新地提出用OPA（光参量放大）方法实现波长调节，并发展了一系列相关技术。这为将来建设HXFEL打下了坚实基础。在现有客观条件下，HXFEL装置的立项将经历一个较长的过程，有关部门应抓紧时间做进一步的具体规划，建议科学院学部组织有关院士及专家研讨我国硬XFEL的发展规划及布署。
3. 同时，应抓住一切可能的国际合作机遇，通过共建光束线站等方式建立我们国家自己的实验平台，提前研发和掌握先进的实验技术，发展自己的实验思路，培养和储备实验设备与技术人才。中瑞合作在SwissFEL上建设CHina线站是一个极好的构想，是我国HXFEL技术与应用实现跨越发展的绝好机遇，将会为我国未来HXFEL装置的建设提供先进的线站和探测技术，并为其培养技术队伍和用户。该方案投资回报率高、科学成效快、推动作用大。要尽快促成此事，积极争取国家支持。
4.X射线光源、实验装备和技术以及数据分析方法是X光科技的三大支柱。三者既相对独立性又相辅相成，应受到同等重视。无论哪一个取得突破，都会产生重大的国际影响。现有客观条件下要积极支持实验装备和实验方法的先期研究，使我国科学家有机会在世界范围内与国际同行同步竞争，做出原创性贡献。建议科技部、基金委和中科院提供专项经费，大力支持在蛋白质结构解析、微晶衍射分析方法、材料物理中的超快电子过程、清洁能源和核能材料等领域开展相关的HXFEL应用研究。
文章来源：
http://www.meeting.edu.cn/meeting/subject/review!detailfp.action?id=1711
