◆记者走近正在小型化进程中的X射线自由电子激光装置，看这样一个大科学装置缩小的科技含量有多高
◆进入实验室的第一站，记者看到了驱动源。它像一条通往加速器的长长隧道，启动后闪烁着绿光。神奇的是，当记者拿起手机拍照时，并不能拍下绿光
◆将大科学装置小型化，其占用的空间和耗费的成本一个普通实验室就能承受，这将降低先进工具的使用门槛，给科研带来溢出效果
◆一系列成果证明激光尾波场电子加速是可以用来做自由电子激光的，也使得小型化的电子加速器研究受到更多关注，或许会有更多大装置逐渐变小，应用到医院、高校、研究所等更多的科学机构
文 |《瞭望》新闻周刊记者 董雪 孙青
开始阅读前，不妨让我们开动脑筋思考一个小问题：如果有一台神奇的相机，快门速度快到以飞秒计算（1秒=10的15次方飞秒），分辨率清晰到0.1纳米（1米=10的9次方纳米），并且具有充足的曝光亮度，那么用它拍出的照片会是什么样的？
答案是它能清楚地拍下水分子，能看到化学键的断裂，甚至能记录电子的运动。
中国科学院上海光学精密机械研究所科研人员王文涛在调整最新的自由电子激光台式化装置（2023 年12月4日摄） 董雪摄/本刊
在现实中，这种性能强大的“相机”是最先进的一类大科学装置——X射线自由电子激光装置，目前全球正在运行的有8台。
不过，它们都是长度在数百米至数公里的“大家伙”，为了实现普及，科学界一直在努力让该装置小型化。
近日，《瞭望》新闻周刊记者独家采访中国科学院上海光学精密机械研究所（以下简称上海光机所）强场激光物理国家重点实验室团队。
该团队曾在全球率先完成台式化自由电子激光原理验证，用12米长的小型化装置实现了传统大装置的性能。现在，他们又带来了好消息，团队负责人王文涛告诉记者：“实验已经完成，装置能继续缩小，外形会像光刻机一样，集成为一个边长只有2米的‘柜子’。”
记者跟随王文涛，走近正在小型化进程中的X射线自由电子激光装置，看它如何缩小，看这样一个大科学装置的缩小科技含量有多高。
驱动源：自研激光器事半功倍
进入位于上海嘉定的实验室，首先穿上洁净服经过风淋室，风淋室吹出强风去除人身上的尘埃，减少外来污染。
这让记者想到进入芯片生产线前的类似场景。两者都对洁净环境有很高要求，一些环节甚至需要在真空环境下进行，一颗微不足道的灰尘也会影响成败。
一个完整的自由电子激光装置由驱动源、加速器和波荡器三部分组成。驱动源是一个激光器，高强度激光电离稀薄气体，产生电子和离子，并将电子加速到高能量；随后电子进入加速器，在加速器里加速到接近光速；再进入波荡器，在波荡器内做周期运动辐射出光。
进入实验室的第一站，记者看到了驱动源。它像一条通往加速器的长长隧道，启动后闪烁着绿光。神奇的是，当记者拿起手机拍照时，并不能拍下绿光。
“它的闪烁速度是纳秒级的，比手机快门要快很多，所以很难拍下来。”王文涛解释说，“其实这个速度还不算太快，绿光之后会被压缩到飞秒量级。”
值得一提的是，这台自研的激光器，是团队在全球率先完成台式化自由电子激光原理验证的关键条件之一。最初，许多团队选择购买现成的驱动源。“买激光器，不仅关键核心技术受制于人，而且当时在售的激光器产品也不成熟，性能不稳定，等待国际厂商维修很耽误时间。”王文涛说，“科研争分夺秒，我们利用自研激光器每年能做12个月实验，别人可能只能做3个月，其他时间耗费在维修上了。”
记者采访了解到，因为做这台激光器积累了技术和经验，上海光机所才敢于承接建设上海另一个大科学装置“超短超强激光实验装置——羲和”。“羲和”在2020年实现输出功率超过10拍瓦，即1亿亿瓦，它聚焦到10微米的光强，相当于10个太阳辐射到地球的光汇聚到一根头发丝上。我国也是首个实现10拍瓦输出并能向用户开放的国家。
记者在现场看到的驱动源长约6米。“现在这么大是为了方便预研，比较灵活地优化性能，满足实验需求。”王文涛说，缩小版的长度将短到3米左右。
加速器：让电子以接近光速“冲浪”
第二站，记者来到加速器环节。与功能相比，它小到超乎想象，是一个边长只有1米的方形真空腔体。当装置启动时，真空腔里会充入稀薄气体，如同一个微型海洋，供电子束以接近光速“冲浪”。
“不论是从尺寸上，还是从关键技术上，加速器都是整个装置的核心，也是我们现在能够缩小装置的关键。”王文涛说，自诺贝尔奖颁布以来，一半左右的物理学奖都与加速器和辐射源及其应用相关，这是当前这一领域科研的重心，团队也选择从加速器开始突破。
传统方案是在加速管两端加高压，对电子进行加速，为了获得高能，加速距离往往长到以公里计。直到2004年，美、法、英等国科学家在实验中取得激光尾波场电子加速突破，这一被称为“梦之束”的成果，让加速器具备了短到厘米量级的可能性。
“激光尾波场电子加速”可以被形象地想象成电子在激光尾波中“冲浪”。王文涛形象地以水上运动“尾波冲浪”给记者解释：“运动员踏着帆板跟在快艇后，利用快艇尾部排开水面形成的波浪冲浪，因为波浪紧随船后，运动员也会以接近船速的速度前进。”
强激光在气体中也能激发这种“波浪”，被捕获的电子像运动员一样随着激光往前跑，实现在非常短的距离内接近光速。
得益于激光技术和前期积累，从激光器到电子束的研制非常顺利，2016年，团队取得一个里程碑成果，获得了当时国际上创纪录的高亮度高能电子束，成果发表于《物理评论快报》。
真正的困难也正是从那时开始的。电子束品质很好，理论上可以辐射出光。可当电子束再传输一定长度，稳定性不足以支撑辐射出光。之后两年时间，团队几乎每天18个小时重复做一件事——驱动源供光之后，一遍遍地产生电子束，尝试传输到波荡器里辐射出光。但，始终没有出现奇迹。
推翻重来，出光！
“你分析过原因没有？”
“强激光同物质的作用过程很复杂，现有的气流结构不稳定，一部分气体从上往下喷，一部分从下往上喷，它虽然可以形成特定分布产生高性能的电子束，但不能产生稳定的电子束。”
“那这个方案基本上不可能了，你是不是得大改？”
“是的。”
“如果完不成，我是不是就可以转到其他方向？”
“不行，完不成得一直做，5年、10年都得做。”
这段对话发生在团队带头人李儒新院士和王文涛之间，王文涛告诉记者，自己想过放弃，但完全没有退路，必须咬紧牙关坚持下去。
对话中提到的气流结构是一种级联加速方案，即把电子注入和加速过程分离，可以优化电子束品质。这本是团队的“杀手锏”，是立项之初就论证确定的，从2011年团队发表第一篇为立项奠定基础的《物理评论快报》文章，到2016年获得创纪录的高亮度高品质电子束，都用的是这个方案。
大改，把装置推翻，从头开始试新方案，失败了就再试下一个方案。王文涛回忆说，团队一方面优化了激光器的性能，并抛弃气体对冲结构，改为单向结构产生高稳定的气流。另一方面，为规避时间和空间同步难题，不再采用外部种子源注入，改为一种更为紧凑的结构，利用波荡器自发辐射产生光子再放大。这次升级把之前遇到的困难全盘考虑进来，新装置的整体性能提升显著。
两个月后，团队成功研制出稳定的台式化激光电子加速器，标志着我国在台式化电子加速领域实现从实验到仪器最为关键的转变，电子束可以稳定传输到波荡器后端。六个月后，2019年一天的凌晨，“我们终于出光了！”为了这一刻，团队整整努力了八年。
《自然》杂志在2021年以封面形式发表该成果。团队在实验上基于激光电子加速器获得极紫外波段的自发辐射放大输出，是国际上首次基于这种新型加速器实现小型化自由电子激光的原理验证。评论称：“该成果是激光尾波场领域自2004年‘梦之束’报道以来的又一里程碑式的成果，将对同行科研人员产生重大影响，是一项重大的突破。”
波荡器：从5米到2米
加速器已经缩无可缩，团队近两年将目光放到了波荡器。王文涛介绍，2021年初代台式化自由电子激光装置使用的是传统波荡器，有5米长。
记者在实验室看到了缩小进程中的波荡器，它处于拆开状态，恰好能看到其通道式的内部结构。不足半米的通道内，上下排布着规则的磁铁组，电子每通过一个磁铁时，就会扭转一次，扭转时会往外辐射光。
值得一提的是，辐射出的光会再作用于电子。“如果把电子比作人，那么这个辐射出来的光类似‘口号’。整个过程相当于一群人在往前走时，边走边喊口号。一开始队伍杂乱无章，但他们喊着喊着就自然排成了比较有序的状态。”王文涛向记者科普电子束进入波荡器从聚束到出光的运行机制。
实际上，5米的长度中，大部分用于“排好队列”。如果能让电子提前排好队，波荡器就可以大幅缩短。
如果主动给电子们一个声量很大的“号子”，让它们快速按照“号子”的节奏整齐向前走，是不是就能省去之前排队用的长度？团队成员大胆猜想并付诸实施——这个“号子”就是强激光，因为预先集聚这个方案被称为“预聚束”。
王文涛介绍，利用该方案，团队成功将波荡器压缩到2米。后续，准备用上下两层的方式进一步让装置“瘦身”，把缩短后的驱动源、加速器和波荡器集成到一个边长两米的方形“柜子”里。
对于大科学装置来说，因为稀缺，机时是最宝贵的资源。如果将大科学装置小型化，其占用的空间、耗费的成本都将大大压缩，可以放在实验室内使用，那么毫无疑问将降低先进工具的使用门槛，给科学研究带来更多突破。
“台式化自由电子激光装置的特点就是成本更低，易于推广和普及。”王文涛说，与传统的大科学装置自由电子激光装置相比，即使缩小后的装置性能有所下降，也不妨碍其在许多研究领域更便捷地发挥它作为先进工具的使命。
王文涛说，这一系列成果证明激光尾波场电子加速是可以用来做自由电子激光的，也使得小型化的电子加速器研究受到更多关注，或许会有更多大装置逐渐变小，应用到医院、高校、研究所等更多的科研机构，在更多学科和产业领域发挥作用。
刊于《瞭望》2024年第4期
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监　制 | 潘　燕
编　辑 | 喻千桓
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