我國軟X射線自由電子激光裝置 首次實現“水窗”波段相干衍射成像

◎本報記者 王 春

近日，活細胞結構與功能成像等線站工程暨上海軟X射線自由電子激光裝置調試工作連續取得突破性進展。繼實現532米X射線自由電子激光裝置的全線調試貫通、帶光運行後，6月下旬，裝置又首次實現了2.4納米單發激光脈衝的相干衍射成像，獲得了首批實驗數據，並完成了對衍射圖樣的快速圖像重建。

該成果具有里程碑意義，體現了活細胞結構與功能成像等線站工程暨上海軟X射線自由電子激光裝置整體性能的先進性，標誌着我國在軟X射線自由電子激光研製和使用方面已步入國際先進行列。

基於該成果，活細胞結構與功能成像等線站工程暨上海軟X射線自由電子激光裝置成為了國際上僅有的兩個已實現“水窗”波段相干衍射成像實驗的自由電子激光裝置之一。

據悉，“水窗”是指波長在2.3納米到4.4納米範圍的軟X射線波段。在此波段內，水不吸收X射線，對X射線相對透明。但是碳元素等構成生物細胞的重要元素，仍會與X射線相互作用，因而水窗波段的X射線可用於活體生物細胞的顯微成像等，具有重要的科學意義和應用價值。

在“水窗”波段，自由電子激光脈衝的峯值亮度比同步輻射高十億倍以上，具備橫向和縱向相干性，不僅能夠為物理、生物、化學等學科提供革命性的研究工具，同時可為在建的上海硬X射線自由電子激光裝置技術研發提供支撐。

作為我國首台X射線自由電子激光裝置，上海軟X射線自由電子激光裝置由活細胞結構與功能成像等線站工程和軟X射線自由電子激光用户裝置共同構成，兩個項目同步建設，有機銜接。

活細胞結構與功能成像等線站工程由上海科技大學、中國科學院上海應用物理研究所、中國科學院上海高等研究院團隊共同建設，項目於2016年11月開工建設，含用户波盪器束線、活細胞成像束線、生物成像實驗站、活細胞熒光超分辨顯微鏡站、超快物理實驗站、超快化學實驗站、分子動態成像實驗站及實驗輔助設施，預計在2021年內完成驗收。

活細胞結構與功能成像等線站工程和軟X射線自由電子激光用户裝置由國家發展和改革委員會與上海市政府共同出資建設。自2021年6月2日首次實現生物成像實驗站通光後，上海科技大學和中國科學院上海高等研究院的項目團隊密切協作、晝夜調試，不斷創造項目貫通調試和運行的加速度，取得了首批相干衍射實驗數據，實現了數據的快速圖樣重組，為今後開展生物活體細胞成像、新材料動態結構分析以及多物理場原位成像等前沿科學研究打下了基礎。裝置擬於明年面向全世界開放運行。

此後，上海軟X射線自由電子激光裝置將與已建成的上海同步輻射光源、超強超短激光裝置和在建的硬X射線自由電子激光裝置等一起，在浦東張江構建具有全球影響力的光子科學設施集羣和光子科學研究中心。