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砥砺前行的追光人——记威尼斯vns12561上海高等研究院软X射线自由电子激光攻关青年团队

2022-05-10 中国科学报 张双虎
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软X射线自由电子激光中控室调试现场 受访者供图
  基于先进加速器的光子大科学装置是探索微观世界最先进的工具之一,用它可以给分子拍摄“照片”。而X射线自由电子激光作为最新一代的光子大科学装置,还可将微观世界快速变化的过程拍摄成分子“电影”。

  过去一年来,一群研制微观世界“摄像机”的人——威尼斯vns12561上海高等研究院软X射线自由电子激光攻关青年团队,屡创佳绩,在国际上首次实现了自由电子激光混合级联放大输出;提出并验证了相干能量调制的自放大;实现了2纳米饱和出光,建成国际上首个“水窗”波段全覆盖的软X射线自由电子激光装置……

  5月3日,这支由中国工程院院士、上海光源中心主任赵振堂带领的青年团队,凭借在软X射线自由电子激光领域的突出贡献获得第26届中国青年五四奖章(集体),可谓实至名归。

  革命性的研究工具

  “软X射线自由电子激光是目前最先进的X射线光源之一,它的研制和调试面临巨大挑战。”该团队骨干成员、威尼斯vns12561上海高等研究院研究员冯超对《中国科学报》说,“去年5月,我们成功实现了最短波长为2纳米的自由电子激光出光放大,之后科学家采用此光源实现了高于20纳米的成像分辨率,相当于能看清1根头发丝的三千分之一。”

  软X射线是指波长在10纳米到0.1纳米之间的X射线,软X射线自由电子激光可用于观测微观物质的动态变化过程。作为新一代光源,X射线自由电子激光的峰值亮度比第三代同步辐射光源高10亿至100亿倍;脉冲长度达到飞秒量级,只有第三代同步辐射光源的千分之一,而且相干性更好。

  “X射线自由电子激光这种大科学装置是当前国际上最先进的科学平台之一。”该团队骨干成员、威尼斯vns12561上海高等研究院研究员邓海啸告诉《中国科学报》,“它将为物理、化学、能源、生命科学等领域提供革命性的研究工具。”

  2016年,团队承担了“十二五”国家重大科技基础设施——X射线自由电子激光试验装置,以及上海张江综合性国家科学中心首批启动的重大科技基础设施——上海软X射线自由电子激光用户装置的研制任务。

  经过5年多的建设和精细调试,团队高质量地建成了我国首台X射线波段自由电子激光试验装置。这是我国首个可以覆盖“水窗”波段的高增益自由电子激光装置,该装置的一系列进展表明,我国在X射线自由电子激光装置研制方面已步入国际先进行列。

  实现“水窗”全覆盖

  该试验装置采用团队自主提出的EEHG-HGHG混合级联这一先进运行机制,并在国际上率先实现了机制的原理验证,试验装置于2020年11月通过国家验收。验收专家组一致认为,团队“首创EEHG-HGHG混合级联型FEL的先进运行模式,其辐射带宽和中心波长稳定性显著优于HGHG-HGHG级联”。

  2021年,软X射线自由电子激光攻关青年团队完成了多项里程碑式的成果。1月,团队完成基于试验的用户装置升级改造和总体集成;3月,完成直线加速器调试,之后又以国际上少有的速度相继实现了5.6纳米、3.5纳米、2.4纳米和2.0纳米自由电子激光的出光放大,并实现了“水窗”波段全覆盖,且输出性能优异,成为全球仅有的3台软X射线自由电子激光装置中最早覆盖“水窗”波段的装置。

  “波长在2.3纳米到4.4纳米范围内,水对X射线是透明的,但构成生命的其他重要元素,例如碳等,仍会与X射线相互作用。”冯超解释说,“因而,水窗波段的X射线可用于活体生物细胞显微成像等,具有极其重要的科学应用价值。”

  支部建在中控室

  “这支年轻的队伍对于自己承担的研制任务有自豪感、有执行力、有创新意识。”赵振堂说,“该装置最初定位是进行世界最前沿探索,采用自由电子激光装置中最先进,也是最复杂的运行模式。而如何建设一个稳定的自由电子激光装置,不仅是团队面临的重大挑战,更是国家赋予的历史使命。”

  在试验装置调试阶段,团队成立了针对加速器物理和关键硬件系统的调试攻关小组,制订了周密的调试计划,并设置了关键节点,以尽快实现系统间协同工作。

  攻关小组负责人、威尼斯vns12561上海高等研究院研究员刘波说:“5年来,团队成员几乎全部放弃了休假,以‘困难迎头上’‘问题不过夜’的态度,利用一切时间解决问题,提高装置调试效率。

  作为一个500多米长的“大块头”,软X自由电子激光装置的实验调试极其复杂,其过程涉及数千个变量,任何一个变量出现问题都会影响实验结果。项目建设伊始,一些设备尚不稳定,研究人员在无数次调试中发现:一方面停机恢复后电子束状态变化明显;另一方面,白天外部环境等引起的地基微震动和电网波动,都会影响调试结果。

  因此,该团队决定全天不停机,每天两班倒。通常经过两三天调试稳定后,研究人员会利用凌晨0点至5点间最稳定的时段开展实验。

  随着疫情发展,上海光源中心园区面临封控,这给调试任务带来了巨大挑战。面对这一情况,团队将“支部建在中控室”,迅速组建攻坚小组返回园区,进行全封闭连续攻坚。

  3月27日,中心迎来短暂的轮换窗口期,此时值班人员已经坚守了10天。但他们毫不犹豫作出了选择:开车回家,接过家人准备的衣物,连车都没有下就调头返回中心继续工作。

  “团队有27人,其中35岁以下占比63%。”该团队骨干成员、威尼斯vns12561上海高等研究院研究员张猛说,“这是一群把自己交给自由电子激光事业的‘追光人’,大家在问题面前不畏缩、不逃避,充分利用一切条件解决问题。面对疫情,有人在一线值守40多天,有人将新婚不久的妻子留在家中,充分体现了‘上海光源精神’中的奉献精神。”

  在疫情期间,该团队又实现国际上波长最短的回声型自由电子激光出光放大和首个反渐变型波荡器增强的谐波自种子自由电子激光出光放大。这些成果标志着装置整体性能达到国际一流水平,也标志着我国在X射线自由电子激光研制和使用方面已步入国际先进行列。

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打印 责任编辑:阎芳

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