軟X射線自由電子激光中控室調試現場

　　基於(yu) 先進加速器的光子大科學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(wei) 最新一代的光子大科學裝置，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，一群研製微觀世界“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(guan) 青年團隊，屢創佳績，在國際上首次實現了自由電子激光混合級聯放大輸出；提出並驗證了相幹能量調製的自放大；實現了2納米飽和出光，建成國際上首個(ge) “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的青年團隊，憑借在軟X射線自由電子激光領域的突出貢獻獲得第26屆中國青年五四獎章（集體(ti) ），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，它的研製和調試麵臨(lin) 巨大挑戰。”該團隊骨幹成員、中科院上海高等研究院研究員馮(feng) 超對《中國科學報》說，“去年5月，我們(men) 成功實現了最短波長為(wei) 2納米的自由電子激光出光放大，之後科學家采用此光源實現了高於(yu) 20納米的成像分辨率，相當於(yu) 能看清1根頭發絲(si) 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於(yu) 觀測微觀物質的動態變化過程。作為(wei) 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(yi) 至100億(yi) 倍；脈衝(chong) 長度達到飛秒量級，隻有第三代同步輻射光源的千分之一，而且相幹性更好。

　　“X射線自由電子激光這種大科學裝置是當前國際上最先進的科學平台之一。”該團隊骨幹成員、中科院上海高等研究院研究員鄧海嘯告訴《中國科學報》，“它將為(wei) 物理、化學、能源、生命科學等領域提供革命性的研究工具。”

　　2016年，團隊承擔了“十二五”國家重大科技基礎設施——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中心首批啟動的重大科技基礎設施——上海軟X射線自由電子激光用戶裝置的研製任務。

　　經過5年多的建設和精細調試，團隊高質量地建成了我國首台X射線波段自由電子激光試驗裝置。這是我國首個(ge) 可以覆蓋“水窗”波段的高增益自由電子激光裝置，該裝置的一係列進展表明，我國在X射線自由電子激光裝置研製方麵已步入國際先進行列。

　　實現“水窗”全覆蓋

　　該試驗裝置采用團隊自主提出的EEHG-HGHG混合級聯這一先進運行機製，並在國際上率先實現了機製的原理驗證，試驗裝置於(yu) 2020年11月通過國家驗收。驗收專(zhuan) 家組一致認為(wei) ，團隊“首創EEHG-HGHG混合級聯型FEL的先進運行模式，其輻射帶寬和中心波長穩定性顯著優(you) 於(yu) HGHG-HGHG級聯”。

　　2021年，軟X射線自由電子激光攻關(guan) 青年團隊完成了多項裏程碑式的成果。1月，團隊完成基於(yu) 試驗的用戶裝置升級改造和總體(ti) 集成；3月，完成直線加速器調試，之後又以國際上少有的速度相繼實現了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，並實現了“水窗”波段全覆蓋，且輸出性能優(you) 異，成為(wei) 全球僅(jin) 有的3台軟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納米範圍內(nei) ，水對X射線是透明的，但構成生命的其他重要元素，例如碳等，仍會(hui) 與(yu) X射線相互作用。”馮(feng) 超解釋說，“因而，水窗波段的X射線可用於(yu) 活體(ti) 生物細胞顯微成像等，具有極其重要的科學應用價(jia) 值。”

　　支部建在中控室

　　“這支年輕的隊伍對於(yu) 自己承擔的研製任務有自豪感、有執行力、有創新意識。”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，也是最複雜的運行模式。而如何建設一個(ge) 穩定的自由電子激光裝置，不僅(jin) 是團隊麵臨(lin) 的重大挑戰，更是國家賦予的曆史使命。”

　　在試驗裝置調試階段，團隊成立了針對加速器物理和關(guan) 鍵硬件係統的調試攻關(guan) 小組，製訂了周密的調試計劃，並設置了關(guan) 鍵節點，以盡快實現係統間協同工作。

　　攻關(guan) 小組負責人、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’的態度，利用一切時間解決(jue) 問題，提高裝置調試效率。

　　作為(wei) 一個(ge) 500多米長的“大塊頭”，軟X自由電子激光裝置的實驗調試極其複雜，其過程涉及數千個(ge) 變量，任何一個(ge) 變量出現問題都會(hui) 影響實驗結果。項目建設伊始，一些設備尚不穩定，研究人員在無數次調試中發現：一方麵停機恢複後電子束狀態變化明顯；另一方麵，白天外部環境等引起的地基微震動和電網波動，都會(hui) 影響調試結果。

　　因此，該團隊決(jue) 定全天不停機，每天兩(liang) 班倒。通常經過兩(liang) 三天調試穩定後，研究人員會(hui) 利用淩晨0點至5點間最穩定的時段開展實驗。

　　隨著疫情發展，上海光源中心園區麵臨(lin) 封控，這給調試任務帶來了巨大挑戰。麵對這一情況，團隊將“支部建在中控室”，迅速組建攻堅小組返回園區，進行全封閉連續攻堅。

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

　　“團隊有27人，其中35歲以下占比63%。”該團隊骨幹成員、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(ye) 的‘追光人’，大家在問題麵前不畏縮、不逃避，充分利用一切條件解決(jue) 問題。麵對疫情，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(ti) 現了‘上海光源精神’中的奉獻精神。”

　　在疫情期間，該團隊又實現國際上波長最短的回聲型自由電子激光出光放大和首個(ge) 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。這些成果標誌著裝置整體(ti) 性能達到國際一流水平，也標誌著我國在X射線自由電子激光研製和使用方麵已步入國際先進行列。