X射线自由电子激光:原理、现状及应用

20世纪70年代,研究人员提出了自由电子激光的概念并建造了远红外自由电子激光器。随后,许多国家都开展了相关的理论研究与实验探索,并于21世纪初建造了X射线波段的自由电子激光器。X射线自由电子激光器是一种基于直线电子加速器的大型科学研究装置,可以产生波长可调的超短超强相干X射线激光脉冲。在过去的十多年中,X射线自由电子激光引起了科学界的广泛关注,各个国家的大力投入和支持使其在很短的时间内取得了迅速的发展,在物理、化学、生命科学、材料科学等领域都发挥了重要的作用。本文将简要介绍X射线自由电子激光的基本原理、发展现状、及其在各学科领域中的应用。     

X射线自由电子激光

X射线自由电子激光是一种基于电子直线加速器的大型科学研究装置,可以产生超高亮度、超短脉冲、波长可调的相干X射线辐射,在物理、化学、材料、生命科学等诸多领域都有非常广泛和极为重要的应用。文章介绍了X射线自由电子激光的基本原理、运行模式、发展历程、国内外X射线自由电子激光大科学装置的发展态势以及近年来我国X射线自由电子激光装置的现状。     

X射线自由电子激光试验装置

X射线自由电子激光试验装置(以下简称"SXFEL试验装置")是中国第一台X射线相干光源,其输出波长小于9 nm.这台基于0.84 GeV直线加速器、以掌握装置相关技术和实验演示种子型自由电子激光(FEL)级联与短波长回声型FEL为主要目标的自由电子激光装置,于2020年11月通过国家验收.本文将介绍SXFEL试验装置的...     

X射线自由电子激光在物理学中的应用

在原子/分子空间尺度直接探测微观世界的飞秒量级动态复杂过程一直是科学家追求的梦想。2009年,X射线自由电子激光装置的出现使得这个梦想成为可能。文章将介绍近年来利用X射线自由电子激光装置在凝聚态物理、非线性光学、高压物理等研究领域取得的一些突破性进展,并展望其未来在解决重大物理问题中的可能应用。     

中国参加X射线自由电子激光项目

2005年11月24日，中国加入了位于汉堡的德国电子同步加速器（Deutsches E1ectron Synchrotron，DESY）中心的X射线自由电子激光（X-ray Free-electron Laser，XFEL）项目，成为该项目的第一位非欧洲成员国。     

X射线自由电子激光的原理和在生物分子结构测定研究中的应用

X射线具有短波长和强穿透能力,利用电子对X射线的散射能够研究材料和分子的精密内部结构。信号的质量高度依赖于X射线发射源。2009年,美国能源部下属的斯坦福线性加速器中心国家实验室建成世界上第一台具有原子分辨率能力的X射线自由电子激光设施(LCLS),从此X射线进入激光时代,人类所能使用的X射线的峰值亮度比最强的同步辐射X射线光源提高了100亿倍。文章简要介绍了X射线自由电子激光的发展历程、产生原理和特性,并结合具体实验研究对如何应用X射线激光研究生物学领域的分子结构和动态变化进行总结。     

X射线自由电子激光晶体学在结构生物学中的应用

X射线晶体学是获得生物大分子三维空间结构最主要的方法。基于X射线自由电子激光的晶体学——串行飞秒晶体学方法的出现,以其独特的优势为结构生物学研究提供了一种全新的研究手段。文章主要介绍了串行飞秒晶体学方法在结构生物学领域的应用及所取得的成果。这些成果表明该方法是在亚纳米空间尺度和飞秒时间尺度、在接近于自然状态下进行生物大分子静态和动态结构研究的强有力手段。     

X射线自由电子激光单颗粒成像研究

具有超高亮度、超短脉冲、全相干特性的X射线自由电子激光(X-ray Free Electron Lasers,XFELs)的出现为超快时间研究与超微结构探索带来新的机遇,使得获取单分子、单颗粒原子分辨率图像及电影成为可能。随着德国FLASH、意大利FERMI、美国LCLS以及日本SACLA等装置的建成与投入使用,X射线自由电子激光已经进入了快速发展的阶段,一系列物理、化学、生物、材料科学领域的前沿研究成果不断涌现。为突破实验技术、工程设备及软件算法上的技术壁垒,相关科研机构通过国际合作,拟实现纳米颗粒、细菌、细胞、病毒、团簇及生物学大分子等单颗粒的原子分辨率成像。文章将聚焦单颗粒成像的发展历史、科学意义、研究背景、研究目标、研究规划、研究现状及世界各国的布局,并展望单颗粒成像未来的发展。     

用X射线自由电子激光拍摄分子电影

作为生命活动的基本单元,蛋白质等生物大分子的功能与分子结构和动力学密切相关。X射线衍射和电子显微技术能够确定原子分辨率的分子结构,但是分子在“工作”期间的结构演化还需要大量的方法研究。X射线自由电子激光(XFEL)因其特有的超高亮度飞秒脉冲,成为捕捉动力学过程中分子结构变化的利器。文章介绍了基于XFEL的“泵浦—探测”时间分辨实验方法,通过捕捉蛋白质分子被激发之后特定时刻的结构,拍摄高分辨的分子电影,展现分子在实现功能过程中的精细动力学,为准确理解分子机理奠定了基础。     

X射线自由电子激光在化学与能源材料科学中的应用

在过去的十多年中,X射线自由电子激光器(X-ray Free Electron Laser,XFEL)的成功研制和快速发展,极大地推动了超快X射线光谱学实验技术的发展,并且在物理、化学和生物科学等不同研究领域获得了广泛的应用。通过飞秒激光脉冲对样品的激发,X射线可以在不同时间尺度下,跟踪固态、液态和气态等各种情况下样品的微观结构动力学过程。X射线吸收和发射光谱,衍射和散射是探测激光诱导结构变化的典型工具。文章将介绍近年来飞秒X射线技术的发展,及其在化学与能源材料领域的应用。相信随着上海X射线自由电子激光器的建成,将使得飞秒X射线技术在更多的科学领域发挥作用。     

首届全国X射线自由电子激光学术交流会召开

<正>2014年9月26日-29日,全国首届X射线自由电子激光(XFEL)学术交流会在连云港召开。会议由中国物理学会粒子加速器分会主办,来自承办单位中物院流体物理研究所、中科院上海应用物理研究所,及北京大学、清华大学、中国科学技术大学、上海交通大学、中科院高能物理研究所、中科院大连化学物理研究所、中物院应用电子学研究所、北京应用物理与计算数学研究所、以及     

超快X射线自由电子激光研究进展北大核心CSCD

现代光源的发展不断推动着人们从更深层次上理解物质的基本结构和动力学行为。X射线自由电子激光作为最先进的光源,其超高的峰值功率、超短的脉冲长度和优良的相干性,为人们以原子级时空分辨率探测和操控物质中的超快过程提供了可能。目前全世界已有多个X射线自由电子激光装置建成并投入使用,在原子分子物理、化学、生命科学、材料科学等各学科应用中都显示出了重要价值。同时大量的研究工作也集中于继续提高X射线自由电子激光的性能,包括把脉冲持续时间从fs量级进一步缩短至as量级,这将为超快科学的发展带来新突破。以超快脉冲产生为主线,综述了近年来超快X射线自由电子激光产生方案的研究进展,从产生原理、方案特性、最新成果等方面介绍了各类产生方案,总结对比了各方案的优缺点,最后对超快X射线自由电子激光的未来发展方向进行了展望。     

上海软X射线自由电子激光装置束流分配系统设计

束流分配系统是自由电子激光装置中至关重要的一部分,它可以将直线加速器产生的电子束团分配至不同的波荡器中。提出了一种基于上海软X射线自由电子激光装置的束流分配系统设计方案。针对该方案,详细介绍了三维从头至尾的束团跟踪模拟以及在传输过程中的束流动力学分析,模拟结果表明,该束流分配系统设计可以保证束流发射度增长小于8%,同时可以保证峰值电流、能散以及束团长度在经过该分配系统时未受到破坏。此外,针对束团在直线加速器中的微束团不稳定性和抖动也进行了分析。     

合肥软X射线波段自由电子激光注入器模拟优化

合肥软X射线波段自由电子激光项目是基于直线加速器的软X射线光源. 其注入器由光阴极微波电子枪与两个直线加速3米段构成. 光阴极微波电子枪产生束团电荷量1nc、峰值流强100A、重复频率10Hz电子束流, 并利用螺线管磁场在其出口处进行发射度补偿, 在经过一段漂移距离后电子束流进入增强直线段加速. 使在低能端由于空间电荷效应产生的横向发射度增长基本被完全补偿. 本文中利用PARMELA对注入器进行了模拟计算, 对发射度的补偿效果进行了优化, 同时对注入器内各元件的布置也进行了优化. 在注入器出口可以得到归一化横向发射度小于1.5mm.mrad的低发射度束流.     

用硬X射线自由电子激光解析复杂生物大分子的结构

2010年,美国斯坦福直线加速器中心(SLAC)的研究人员在Nature Photonics杂志上发文[1],宣布世界上第一个硬X射线波段的自由电子激光装置正式投入使用.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光学带来的影响.上世纪初诞生的X光科技使大量科学实验深入到原子层次,为物理、化学、材料科学以及生命科学等领域的许多重大突破提供了实验基础.以X射线激光为基础的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更大     

高重频硬X射线自由电子激光脉冲到达时间诊断方法研究

X射线自由电子激光(XFEL)脉冲时间诊断技术常用于实验站附近XFEL脉冲和配套激光的相对到达时间探测,是飞秒级XFEL泵浦探测实验的重要辅助技术,为XFEL和激光泵浦探测实验中两种脉冲对准提供参考信号.随着XFEL向高重频、短脉冲发展,对时间诊断中的诊断频率、泵浦样品和分辨率提出了更高的要求.该技术通过泵浦探测和光学互相关实现,当XFEL脉冲入射高带宽半导体样品瞬间,导致样品复折射率突变,使XFEL到达时间编码于突变空间.本文基于空间编码和光谱编码两种方法,研发设计了XFEL单脉冲到达时间诊断装置;并通过Beer’s吸收理论和原子散射理论对X射线与样品作用过程进行模拟,研究了该过程中X射线吸收与折射率突变的响应程度,完善了样品的分析选择模型;对光谱编码中的啁啾脉冲调制进行分析,得到色散介质和脉冲本征参数对诊断分辨率的影响.该研究对XFEL脉冲到达时间诊断装置的应用具有指导意义.     

回声谐波放大型自由电子激光相干涡旋X射线产生方案

外种子型自由电子激光具有全相干、频谱稳定、极高亮度的优点,可以实现在超小空间和超快时间尺度下对物质结构的研究。具有特殊横向相位模式的光特别是具有螺旋相位的带轨道角动量的涡旋光已经在众多科学领域有了应用,基于自由电子激光原理产生的辐射横向模式基本上为简单的高斯模式,为产生具有横向螺旋相位的相干涡旋X射线,对基于回声谐波放大型(EEHG)自由电子激光产生涡旋光方案进行了深入研究,并且根据上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)的参数,进行了相关方案设计和模拟研究。三维模拟结果表明,外种子型EEHG自由电子激光可以产生峰值功率可达到GW量级的相干涡旋软X射线。     

更亮与更快：X射线自由电子激光的前景与挑战

自2009 年美国直线加速器相干光源(LCLS)装置的成功出光起,X射线自由电子激光的研究与应用已逐渐步入了一个新的阶段。在LCLS上获得的初期结果令全世界科学家为之惊叹。新的实验工具与实验技术总能为科学家们打开探索未知领域的新窗口,验证人们理论上的预言。X射线成像是一种独特而不可替代的技术。这一方面是由于X射线在固体中强大的穿透力,另一方面在于X射线的波长短到可以直接用于解析物质的原子结构。这些特性使得科学家可以推动基础物理科学的发展,将X射线结构成像应用到从新药物研发到飞机发动机叶片分析的广阔领域。     

上海软X射线自由电子激光外种子运行模式的模拟研究

上海软X射线自由电子激光用户装置（SXFEL）是我国首台可以运行在水窗波段的自由电子激光装置,未来可以为5个实验线站供光,其主要运行模式为自放大自发辐射模式以及外种子模式。本文就SXFEL的外种子模式进行了从头到尾的模拟研究,主要包括EEHG-HGHG混合级联与单级EEHG两种方案。模拟结果表明,虽然EEHG-HGHG混合级联模式较为复杂,但能够产生更高功率的高次谐波辐射。除此之外,我们还研究了各种三维效应对EEHG的影响。模拟和分析结果表明,通过上述两种方案,采用紫外波段的种子激光,用户可以得到全相干、窄带宽、短脉冲的水窗波段自由电子激光。