中国光子大科学装置的发展

学术 2024-07-12 09:47 北京

光子大科学装置主要分为同步辐射光源和自由电子激光装置两大类，可以产生光子能量范围从红外到硬X射线的高通量、高亮度、光子能量连续可调的光，在过去半个多世纪里已经发展成为服务于物理学、化学、材料科学、生命科学、能源、环境科学等众多学科的综合性科研中心。光子大科学装置在我国经过了40多年的发展，已经建立起较完整的体系，达到世界先进水平。文章通过对已有的和建设中的装置的描述分别介绍同步辐射光源和自由电子激光在国内的发展历程和现状，并对未来发展趋势进行展望。

作者｜刘志^① , 万唯实^① , 王东^①^②

①上海科技大学大科学中心/物质科学与技术学院；②中国科学院上海高等研究院

在近代科学发展的过程中，光一直是人类研究自然界的重要工具之一。随着20世纪初量子力学的发展，人类发现自然界中所有物质的特性都可以在这个理论框架中得到圆满的解释。同时，人类认识到了光的量子属性，光量子(光子) 的概念形成，使得光子成为研究物质特性最重要的探针之一。到了20世纪中叶，受激辐射和同步辐射相继被发现，进而发展出激光、同步辐射光源和自由电子激光，光子的通量、亮度以及能量范围都提高了很多个量级，使得光子科学产生了飞跃。同步辐射光源和自由电子激光产生的光子的能量范围覆盖了从红外到硬X射线的巨大区间，并且连续可调，与激光互补，成为光子科学的两大主力之一。

同步辐射光源一般由电子枪、直线加速器、增强器(同步加速器)、储存环以及光束线组成。储存环中的高能电子在弯铁(二极磁铁)或者插入件(波荡器)中偏转，发出光子^[1-2]。同步辐射光源的发展到目前经历了四代。第一代光源是在电子对撞机上建设光束线，利用电子对撞机储存环中弯铁产生的同步辐射光开展科学研究。第二代光源的加速器是专门为产生同步辐射光设计的，性能有了很大提高，但同步辐射仍然在弯铁中产生。插入件的大量使用标志着第三代光源的兴起。与在弯铁中产生的光相比，电子束在插入件中发出的同步辐射光在通量和亮度两方面都有很大提升^[3-4]。在过去10年里，新兴的真空技术以及磁聚焦结构使得大幅度降低储存环中电子束的发射度成为可能，第四代光源应运而生。第四代光源产生的同步辐射光的亮度比第三代光源提高2～3个量级。过去5年内投入使用和开始建设的同步辐射光源几乎都是第四代光源^[5]。

正是由于同步辐射光源可稳定支持多学科、多技术、多用户的特点，可以避免投资单一领域方向所带来的边际产出递减，从而提高投资效率。大型同步辐射装置已成为世界各国科研基础设施的投资重点，也是欧美等主要发达国家国家实验室的基石。世界各国都在投入大量资金支持这一方面的建设、运行和研发新一代光源。

自由电子激光(free-electron laser, FEL)是一种以相对论性电子为介质、以相干电磁辐射为发光原理的大型高技术装置。1975年，基于低增益振荡器工作模式的第一台自由电子激光诞生于美国斯坦福大学。21世纪以来，基于高增益放大器原理的新型自由电子激光(图1)在技术上取得了重大突破，自由电子激光已经实现了超高亮度硬X射线的出光，并已经应用于世界最前沿科学的研究。

图1 高增益自由电子激光工作原理

高增益自由电子激光作为性能优越的光源，是最近十几年发展起来的最新一代先进光源，其峰值亮度比第三代同步辐射光源高10个数量级以上，脉冲长度短3～4个数量级并具备相干性。迄今为止，高增益自由电子激光主要工作原理分为几类：最简单的是自放大自发辐射(self-amplified spontaneous emission, SASE)原理，2000年在美国阿贡国家实验室首次实现饱和出光^[6]；第二种是高增益谐波产生(high gain harmonic generation, HGHG)原理，2000年左右在美国布鲁克海文国家实验室得到实验验证^[7-8]；第三种叫作直接外种子型(direct seeding)原理，2008年前后由法国和日本联合在RIKEN SPring-8实验室进行了实验验证^[9]；第四种被称为回声谐波型(echo-enabled harmonic generation, EEHG)原理，由美国SLAC 实验室的G. Stupakov博士于2008年提出^[10]。这一新型的自由电子激光原理的突出优势在于，利用很小的能量调制就能产生很高的高次谐波微聚束，为外种子型自由电子激光扩展到X射线波段开拓了全新的途径，因此一经提出便得到了国际自由电子激光界的高度关注，并开展了一系列的理论研究、方案设计和实验研究。

自由电子激光具有极其优异的特性，其中包括：极高的峰值亮度，比目前最好的第三代同步辐射光源高出8～10个数量级；超短的脉冲长度，可以达到1 fs(飞秒)甚至更短；极好的相干性；波长覆盖范围广，而且连续可调；等等。

与此同时，为满足科学前沿领域的创新跨越发展需求，开发和建造能长期稳定运行的高亮度、短脉冲、可调谐、相干X射线光源，建设新的X射线自由电子激光(X-ray free-electron laser, XFEL)大型装置已成为国际上X射线光源科学发展的竞争点和热点。

本文接下来将介绍同步辐射光源和自由电子激光在我国的发展。

1 国内同步辐射光源的发展

我国同步辐射光源起步于20世纪80年代中期，从位于北京的中国科学院高能物理研究所的北京同步辐射装置(Beijing Synchrotron Radiation Facility, BSRF) 和中国科学技术大学国家同步辐射实验室(National Synchrotron Radiation Laboratory, NSRL)的合肥同步辐射装置(Hefei Light Source, HLS)开始^[11]，历经20多年，在21世纪初建成了国内第一个第三代同步辐射光源——上海同步辐射光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)^[12-13]。在上海光源运行10余年后，我国又开始建设达到国际先进水平的第四代同步辐射光源。它们分别是位于北京的高能同步辐射光源(High Energy Photon Source, HEPS)^[14]和位于合肥的合肥先进光源(Hefei Advanced Light Facility, HALF)^[15]。从计划建成的时间点来看，这两个光源只比国际相同性能的装置——美国的先进光子源升级版(Advanced Photon Source Upgrade project, APS-U)和先进光源升级版(Advanced Light Source Upgrade project, ALS-U)晚2年左右，标志着中国同步辐射光源的科技工作者已经在与国际同行共同探索前进的方向。下面几小节将分别介绍国内这5个已经运行和建设中的同步辐射光源。

1.1 北京同步辐射装置

北京同步辐射装置(图2)1984年立项，1991年开始运行，储存环电子能量2.2～2.8 GeV，为第一代光源(主要参数见表1)^[11,13,16]。光源目前有5个插入件，14条光束线和实验站，覆盖了从真空紫外到硬X射线能量范围的同步辐射光，建立了X射线形貌术、X射线成像、X射线衍射、X射线小角散射、漫散射、生物大分子结构、X射线荧光微分析、X射线吸收精细结构、光电子能谱、圆二色谱、软X射线刻度和计量、中能X射线光学、高压结构研究和X射线光刻等多种实验技术^[17]。2022年用户实验机时1 374 h，用户单位数为141，用户实验参加人数为1 618，用户研究课题涉及材料科学、化学化工、环境、地学、凝聚态物理、生命科学和光电器件等多个领域^[18]。

图2 北京同步辐射装置(BSRF)外景图

表1 国内同步辐射光源主要参数表

注：* 2012年改造以前；† 2012年改造以后

1.2 合肥同步辐射装置

合肥同步辐射装置(简称“合肥光源”，图3)1983年立项， 1992年开始运行，储存环电子能量800 MeV，为第二代光源(主要参数见表1)^[11,13,19]。从1992年到2012年，光源的电子自然发射度比较大(160/80 nm·rad) ，2012—2016年，合肥同步辐射装置进行升级改造。2016年，改造后的合肥光源(Hefei Light Source-II, HLS-II) 开始运行，自然发射度降低为38 nm·rad，接近第三代光源的水平^[19-20]。目前，合肥光源拥有10条光束线及实验站，覆盖了从红外到软X射线能量范围的同步辐射光，包括5条插入元件线站，分别为燃烧、软X射线成像、催化与表面科学、角分辨光电子能谱和原子与分子物理光束线和实验站；以及5条弯铁线站，分别为红外谱学和显微成像、质谱、计量、光电子能谱、软X射线磁性圆二色及软X射线原位谱学光束线和实验站^[19] 。2022年供光时间为4 859 h，用户课题总数为466，用户研究课题涉及物理学、化学、生物学、医学、能源、环境科学技术、材料科学与工程等领域^[18]。

图3 合肥同步辐射装置(HLS)大厅内景图

1.3 上海同步辐射光源

上海同步辐射光源(图4)是我国第一个第三代光源，电子能量为3.5 GeV，处于中能区，可以比较好地兼顾软X射线和硬X射线同步辐射光的通量(主要参数见表1)。由于上海光源的自然发射度仅为北京同步辐射装置的1/20或合肥光源的1/10，上海光源产生的同步辐射光的亮度大大提高。上海光源于2004年底动工，2009年5月开始对用户开放运行。目前，上海光源共有34条光束线46个实验站向用户开放运行，可用于从事生命科学、材料科学、环境科学、信息科学、凝聚态物理、原子分子物理、团簇物理、化学、医学、药学、地质学等多学科的前沿基础研究，以及微电子、医药、石油、化工、生物工程、医疗诊断和微加工等高技术的开发应用的实验研究。每年向用户供光4 000～5 000 h ^[21]。2022年用户单位数为233，用户实验参加人数为2 548 ^[18]。

图4 上海同步辐射光源(SSRF)外景图^[22]

1.4 高能同步辐射光源

高能同步辐射光源( 图5、图6) 的电子能量为6 GeV，是我国第一个高能量同步辐射光源。2019年6月动工，计划2025年底建成。高能同步辐射光源的电子束流的自然发射度的设计值约为35 pm·rad，可容纳90个束线站，光子能量可以达到300 keV，建成后将是我国第一个第四代光源，也是世界上亮度最高的第四代光源之一(主要参数见表1)^[5,14]。高能同步辐射光源建设的首要目标为提供高能、高亮度的硬X射线，这是为了满足国家发展战略相关研究的需求：航空发动机材料、核材料研究必须依靠这种高性能的X射线。截至2023年底，高能同步辐射光源增强器已经成功地将电子束加速到6 GeV，束团电荷量达到设计要求；储存环主体设备安装闭环^[23]。

图5 高能同步辐射光源(HEPS)建设进展图(上)；合肥先进光源(HALF)效果图(下) ^[5]

图6 高能同步辐射光源(HEPS)首期建设线站分布图。ID02，生物大分子微晶衍射线站；ID05，低维结构探针线站；ID07，工程材料线站；ID08，粉光小角散射线站；ID09，硬X射线相干散射线站；ID19，硬X射线纳米探针线站；ID21，硬X射线成像线站；ID23，结构动力学线站；ID30 ，X射线显微成像线站；ID31，高压线站；ID33，高分辨谱学线站；ID41，高分辨纳米电子结构线站；ID42，光学测试线；BM44，通用环境谱学线站；ID46 ，X射线吸收谱学线站

1.5 合肥先进光源

合肥先进光源( 图5 、图7 ) 的电子能量为2.2 GeV，电子束流的自然发射度的设计值为86 pm·rad，可容纳35条光束线，建成后将是具有世界先进水平的从真空紫外到软X射线能量范围的第四代光源(主要参数见表1)^[15]。合肥先进光源于2023年9月动工，计划2028年开始用户运行。届时我国将有两个具有世界先进水平的同步辐射光源，覆盖了从真空紫外到硬X射线直至伽马射线的能量范围^[19]。

图7 合肥先进光源(HALF)首批建设线站分布图

与此同时，重庆、东莞、武汉等地也在探索建设同步辐射光源的可能性。其中重庆大学超瞬态实验室的超瞬态同步辐射光源最具有特色，进展也最快。该光源由电子能量为0.5 GeV 的低能储存环和3.0 GeV的中能储存环组成。其中低能储存环的周长为76.8 m ，自然发射度为8.6 nm·rad，电子束流强为1 A，加上更长的直线节(用来增加插入件的周期数)，可以将光子通量提高1~ 2个量级^[24]。该项目已于2023年11月获得了重庆市发改委批复的初步设计投资概算^[25]。我国完整的通用型同步辐射光源体系将在今后5年内基本建成，特殊用途同步辐射光源有可能是今后发展的方向。

2 国内自由电子激光装置的发展

我国自由电子激光的研究开始于20世纪80年代，中国工程物理研究院、中国科学院和部分高等院校均有自由电子激光理论和关键技术的探讨。同国际上一样，这一时期的自由电子激光属于基于振荡器原理的低增益自由电子激光。1987年中国科学院高能物理研究所谢家麟先生领导的北京自由电子激光装置开始建设，经过6年的研制和调试于1993年在红外波段达到了饱和放大，这也是亚洲第一个成功实现饱和的自由电子激光装置。中国工程物理研究院和中国科学技术大学分别在2005年和2017年建成了红外波段的自由电子激光装置并实现饱和放大。

进入21世纪，国际上陆续实现了基于单次通过的高增益放大器原理自由电子激光实验，进入了以短波长(深紫外直至X射线)极高亮度光源为主要方向的大型自由电子激光用户装置时代。我国第一台高增益装置上海深紫外自由电子激光，于2009年在中国科学院上海应用物理研究所实现自放大自发辐射(SASE)首次放大出光，之后在此装置上开展了一系列高增益自由电子激光实验，尤其是外种子型全相干原理研究，包括世界上首次回声谐波型(EEHG)原理放大实验等。2011年，软X射线自由电子激光试验装置和大连极紫外自由电子激光装置项目开始建设，后者在2016年实现首次放大出光并成为唯一在50～150 nm波段运行的自由电子激光装置，前者则在2016年获得进一步支持成为用户装置并在2023年开始用户实验。2017年，上海硬X射线自由电子激光装置得到国家批准在上海开始建设，这是基于连续波超导技术的高重复频率自由电子激光，具有国际先进水平，也是我国迄今建设的规模最大的科学装置，预计将于2025年首次出光。2023年，深圳中能高重频自由电子激光得到国家批准开始建设，这同样是一台高重复频率的新一代自由电子激光装置。上海和深圳的两台先进超导自由电子激光在硬X射线和软X射线波段实现远远高于第三和第四代同步辐射光源的峰值亮度和平均亮度。下面几小节将分别简单介绍国内这5个已经运行或建设中的高增益自由电子激光装置。

2.1 上海深紫外自由电子激光装置

上海深紫外自由电子激光实验装置(Shanghai Deep-Ultraviolet Free Electron Laser, SDUV-FEL) ，是一台以电子直线加速器所提供的相对论优质电子束为工作媒介，在周期磁场结构(又名波荡器) 中以受激辐射方式放大短波电磁辐射的可调谐、强相干深紫外光源(图8) 。SDUV-FEL的优化设计目标为基波辐射波长覆盖349~87 nm的紫外到深紫外波段，相应设计其电子直线加速器能量为150 MeV~300 MeV可调(主要参数见表2)^[26]。

表2 国内高增益自由电子激光主要参数表

图8 上海深紫外自由电子激光装置(SDUV-FEL)

SDUV的关键部件采用了国内研制的光阴极微波电子枪、电子加速器和波荡器磁铁等，于2008年集成完毕，正式开始束流调试。2009年SDUV-FEL实现国内首次高增益SASE自由电子激光指数放大，2010年首次实现采用外种子激光对电子束流的调制和谐波产生型(HGHG)自由电子激光放大，2011年在世界上首次实现回声型谐波放大自由电子激光(EEHG-FEL)的饱和放大，实验成果发表在Nature Photonics上，并被选为封面文章^[27]。SDUV-FEL是我国首台高增益自由电子激光装置，对于推动国内自由电子激光关键技术、锻炼高增益自由电子激光研究队伍和提升在国际自由电子激光界的学术声誉作出了巨大和开创性的贡献。

2.2 大连相干光源

大连相干光源(Dalian Coherent Light Source, DCLS，图9)是世界上唯一工作在50～150 nm极紫外波段的高增益自由电子激光装置，也是这个波段迄今亮度最高的光源^[28](主要参数见表2)。大连相干光源是在国家自然科学基金委的支持下由中国科学院大连化学物理研究所和上海应用物理研究所从2011年底在大连长兴岛开始建设的，于2016年建成出光，已经投入用户实验运行多年并产出了非常出色的科学成果。

图9 大连相干光源(DCLS)

大连相干光源总长150 m ，采用全相干的HGHG自由电子激光模式，基于常温电子直线加速器技术，电子能量为300 MeV，拥有两条自由电子激光波荡器线，波长可以根据需要连续调节。目前已有6个实验终端投入用户科学实验，包括由德国马克斯•普朗克研究所参与建设的实验站。

2.3 上海软X射线自由电子激光装置

上海软X射线自由电子激光装置(Shanghai Soft XFEL, SXFEL，图10)是中国第一台X射线自由电子激光装置，也是世界上第三台软X射线自由电子激光装置，在中国科学院上海应用物理所张江园区建设，另有北京大学负责超导高频腔技术的研发部分。项目最初的主要目标是为我国建设硬X射线自由电子激光用户装置做预先研究，为我国建设X射线自由电子激光用户装置提供技术储备和支撑^[29-30]。

图10 上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)

SXFEL项目于2014年底正式开工建设，2016年底首次出束。此后由国家发改委和上海市批准在此基础上升级完善为一台涵盖水窗波段 (2.2～4.4 nm)的自由电子激光用户装置，束流能量由840 MeV提高到1.5 GeV以上，束团重复频率增加到50 Hz(主要参数见表2)，增建了新的波荡器和光束线站大厅，自由电子激光波荡器线增加为两条，分别采用SASE和外种子型自由电子激光放大模式，首批建设有5个实验终端，已于2023年正式对用户科学家开放^[31]。

2.4 上海硬X射线自由电子激光装置

上海硬X射线自由电子激光装置(Shanghai HIgh repetitioN rate XFEL and Extreme light facility, 简称SHINE，图11)，是中国唯一的硬X射线自由电子激光装置，也是世界上两台在建的基于连续波超导加速技术的高重复频率X射线自由电子激光之一(另一个是美国SLAC的直线相干光源-II-HE)，可提高世界上最高峰值和平均亮度的X射线光，也是国际上唯一能够实现硬X射线自由电子激光与超强超短激光会聚的大科学装置(主要参数见表2)。该装置将充分利用高重复频率硬X射线自由电子激光超高平均亮度和峰值亮度、超短脉冲和全相干等卓越性能，为广大科学用户提供前所未有的高分辨成像、超快过程探索、先进结构解析等尖端研究手段，开展围绕物质科学、生命、能源、环境、材料、人口健康等领域的前沿科学问题探索和国家重大需求的研究，从而形成国际上独具特色的多学科公共科学研究平台。

图11 上海硬X射线自由电子激光装置(SHINE)

上海硬X射线自由电子激光装置建设主要内容包括一台能量8 GeV的MHz级高重频超导直线加速器、3条波荡器线、3条光束线以及首批10个实验站，包括单分子/单颗粒相干衍射实验站、硬X射线高分辨共振散射实验站、硬X射线超快谱学实验站和极端光物理线站等。装置总长3.11 km，布置有直线加速器隧道、波荡器隧道、光束线隧道。

本项目于2018年开工，至2024年初已经完成全部关键技术的研发和地下隧道工程建设，进入大批量部件生产和安装阶段，首批大型2 K低温工厂已经降温成功，高重频电子枪已经安装完毕并顺利出束。2025年内SHINE将进行超导直线加速器调试和实现首次自由电子激光放大出光，并逐步交付用户使用。

2.5 深圳超导软X射线自由电子激光装置

深圳超导软X射线自由电子激光装置(Shenzhen Superconducting Soft x-ray FEL, S³FEL，图12)是一台基于超导直线加速器的中能高重复频率X射线自由电子激光综合装置，电子能量为2.5 GeV，重复频率达到1 MHz(主要参数见表2)，首批规划建设4条波荡器线，14个实验站。项目已经于2023年5月通过国家批准，开始建设。建设地点为深圳市光明科学城，装置总长为1.8 km，土地平整项目已经于2023年9月正式开工。

图12 深圳超导软X射线自由电子激光装置(S³FEL)

S³FEL以前沿科学技术发展和核心产业需求为导向，建成后将成为全球首个重复频率达百万赫兹的超导中能自由电子激光综合装置，为物理、化学、生物医药、材料科学、能源科学等学科中的世界科技前沿研究领域提供先进的研究手段。

3 展望

从宏观上讲，经过40多年的共同努力，中国的光子科学装置的大科学格局已经形成。以上海为例，浦东张江已经从一片农田，变为一个科技新城。特别是在大科学装置集群方面，从上海光源到软X射线自由电子激光，再到现在硬X射线自由电子激光，我们用二十几年的时间基本走完了欧美在这一方面五六十年的发展历程。如果从大科学的三个核心维度(大装置、大组织、大政治)来看，张江已经具备了承载大科学任务的独特能力——大装置的独一无二的探索能力。与此同时，多年的院市合作，在浦东张江先后聚集了科学院的院所、新型的大学、研发机构和国家实验室，具备了从事大的、异质化合作的科研组织形式，原创基础科研成果不断涌现。在国内，上面介绍的光子科学大科学装置也分别在北京、合肥和大湾区成为相对应的科创中心发展和科技战略转型的重要基础。可以说，我国的光子科学大科学装置正处于一个高速发展的阶段。

从技术上讲，自由电子激光和同步辐射衍射极限环具有比第三代同步辐射光源更高的亮度、相干性和超快特性，具有极大的科学应用潜力。目前，如何充分利用好这些光源技术，在方法学和科学应用上取得突破已经成为各个新装置的聚焦点。可以说，这些新光源正处于科学应用和产业应用的快速推进和全新方法学的 “pathfinding phase”。另一方面，人工智能的升级换代震惊了科技界，“AI for Science”的范式革新如火如荼。大型光子科学用户装置在数据产生数量、质量和维度等方面具备其他科研仪器所不具备的特有优势，这类装置无疑将在AI相关的各种科学研究范式革新中起到更为重要的作用。

在产业应用方面，现在世界各国都极为重视基础科研对产业发展的直接推动。光子科学大科学装置也不例外。除了积极吸纳产业用户和产业联盟共同用好和建好新的装置以外，我们还要特别注意光子科学新技术的外溢效应。例如，国内外一致认为基于超导技术的自由电子激光还具有工业应用的巨大能力，如在极紫外光刻光源方面，自由电子激光可以在13.5 nm或更短波长实现10 kW级的输出，远强于目前最好的光刻机光源，国际上已有若干公司或研究团队开始建设此类装置，以在下一代的光刻机技术竞争中保持优势。如果进展顺利，可以预期，今后若干年将会是基于超导技术的高重频自由电子激光发展的全新时代。

参考文献

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本文刊载于《自然杂志》2024年第3期

DOI：10.3969/j.issn.0253-9608.2024.03.001

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