4 GeV 电子束推动上海重大项目迈向运行
中国上海的 SHINE 研究设施首次利用能量为 4 吉电子伏特（GeV）的电子束产生自由电子激光，这是建成后加速器计划能量的一半。上海科技大学于 10 月 21 日宣布这一突破，标志着该项目朝着 2027 年底建成并投入运行的目标迈出重要一步。
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此次首次出光由 18 个波荡器模块产生，每个模块长 4 米，内部磁场排列每隔 55 毫米重复一次。这些模块总共构成 72 米长的磁结构，引导高速电子沿曲折路径运动，使其发射并逐渐汇聚成强烈的激光脉冲。
SHINE 是 Shanghai High repetition rate XFEL and Extreme light facility（上海高重复频率 XFEL 与极限光设施）的简称，旨在帮助科学家研究纳米尺度的结构和持续飞秒级的变化。纳米是十亿分之一米；飞秒是十亿分之一秒的百万分之一。这些尺度使研究人员能够探查原子和分子的微小结构及快速运动。
项目于 2018 年 4 月开工建设。建成后，这台超导直线加速器预计将达到 8 GeV，部分运行模式每秒可产生多达 100 万个 X 射线脉冲。前两条波荡器线预计将覆盖 0.2 至 15 千电子伏特（keV）的光子能量范围。
眼下的成果是在调试过程中产生激光，这一过程旨在使设备投入工作状态并检查其性能。按计划，2027 年转入运行后将开展常规实验，并接待来访研究人员。上海科技大学尚未公布确切的开放日期或研究人员申请安排。
运动中的电子如何产生 X 射线激光
SHINE 以电子为起点，而不是使用许多常见激光器中的发光材料。其直线加速器为电子提供能量，再将它们送入波荡器；波荡器中的交变磁场使电子左右摆动并产生辐射。
电子与辐射在依次通过各个模块时相互作用。在适当条件下，电子会排列成微小的团簇并协同发射，从而增强光线，形成强大的脉冲。电子能量和磁结构间距有助于决定最终光子的能量；光子是构成光的单个能量包。
4 GeV 指的是产生首次出光时所用电子束的能量。0.2 至 15 keV 则指前两条线预计产生的光子能量范围。这两项数据衡量的是设备中的不同部分：GeV 在这里指驱动这一过程的粒子，keV 则指供实验使用的 X 射线。
SHINE 使用连续波超导加速器。超导部件在极低温度下运行，电流通过时几乎没有电阻。连续波运行使加速器的射频场能够持续工作，从而支持高频率电子束团，而不必依赖间隔较大的脉冲。
三条束线，各有不同能量范围
首期整体规模大于首次出光时使用的设备。项目在国际粒子加速器会议上发表的2024 年进展论文介绍了三条波荡器线、三条 X 射线传输束线和 10 个实验站，基准光子能量范围为 0.4 至 25 keV。
FEL-I 的设计范围为 3 至 15 keV，FEL-II 为 0.4 至 3 keV，FEL-III 为 10 至 25 keV。FEL-II 产生能量最低、也就是最软的 X 射线。另外两条线产生能量更高、波长更短的硬 X 射线。
最新公告中的 0.2 至 15 keV 范围涉及前两条线。更宽的 0.4 至 25 keV 基准范围则包括 FEL-III。2024 年的论文还介绍了一条新增旁路，可将 5 GeV 电子束送入 FEL-II，使其输出能量范围下探至 0.2 keV。
同一篇论文列出了 FEL-I 的 42 个平面波荡器和 FEL-II 的 32 个平面波荡器，另有 4 个下游波荡器可调节偏振，即光的电场振荡方向。首次出光使用的 18 个模块，是这一更大规模规划设施中的一种调试配置。
各条线的性能也有所不同。设计显示，FEL-I 和 FEL-II 的脉冲持续时间约为 30 飞秒，重复频率最高可达 1 MHz，即每秒 100 万个脉冲。2023 年的一项技术研究显示，FEL-III 的重复频率最高可达 0.1 MHz，即每秒 10 万个脉冲。
科学家能用如此短的脉冲观测什么
生命科学、量子材料和未来能源研究都是 SHINE 计划支持的领域。微小空间尺度与极短曝光时间相结合，是实现这些目标的关键：研究人员希望了解物质如何排列，以及这种排列如何变化。
短促的 X 射线脉冲可以捕捉快速过程中的一个阶段。在启动过程与探测过程之间设定不同延迟时间并重复实验，研究人员就能拼出一系列变化，类似于用单独画面组成一部电影。高频脉冲能提供更多收集测量数据的机会，在单个信号较弱时尤其有用。
首批实验站计划采用相干衍射成像、超快 X 射线光谱、光电子测量和串行飞秒晶体学。衍射成像通过分析 X 射线在样品上的散射图样来重建结构。光谱学研究物质如何吸收或发射辐射，从而揭示其电子结构信息。
串行飞秒晶体学利用极短脉冲照射许多微小晶体，并收集其衍射图样。光电子技术测量由光释放的电子，帮助研究人员探究电子在材料中的行为。计划采用的这些方法将为 SHINE 提供多种手段，以关联微观结构与快速的物理或化学变化。
对光本身进行更多控制
SHINE 的软 X 射线线正在设计多种运行模式，而非只产生单一类型的脉冲。《Frontiers in Physics》发表的2023 年束线研究将自放大自发辐射、自种子、外部种子和偏振控制列为基准方案。
自放大自发辐射通常简称 SASE，激光由电子最初产生的辐射发展而来。种子方案则使用更可控的初始信号。自种子通过筛选部分 X 射线辐射，并用它驱动进一步放大；外部种子则从独立激光开始。这些方法旨在产生光谱和时间结构控制更精确的光。
该研究介绍了一种软 X 射线辐射器，由 32 个模块组成，每个模块长 4 米，主磁场周期为 55 毫米。上游 14 个模块采用可切换设计，周期可在 55 毫米和 75 毫米之间切换。这种灵活性支持不同运行条件，以及将种子激光辐射转换为更短波长的技术。
部分相关技术已在另一处上海软 X 射线自由电子激光设施 SXFEL 进行测试。研究记录了利用回声使能谐波产生法，在第 47 次和第 54 次谐波处实现激光发射。该方法通过重新排列电子，使其以种子激光频率的整数倍发射。研究还记录了第 61 次谐波处的信号。
一种单色器，即用于选择狭窄光子能量范围的光学仪器，于 2022 年底在 SXFEL 进行测试。在 520 电子伏特下，其分辨本领超过 5,300。这类研发工作有助于 SHINE 提供筛选更精确的 X 射线脉冲。该研究还讨论了未来产生阿秒级脉冲的可能性，每阿秒比每飞秒短 1,000 倍。
用于极端条件研究的 100 拍瓦激光器
SHINE 还计划建设极限光站，将自由电子激光与一台额定功率为 100 拍瓦的超短脉冲激光器结合起来。项目方称，这是全球首个将这一功率级别的激光器与自由电子激光结合的实验站。
一拍瓦等于一千万亿瓦。100 拍瓦指的是极短脉冲期间的峰值功率。将能量集中在如此短的时间内，可以产生强大的电磁场，用于研究极端条件下的物质。
2024 年进展论文将强场量子电动力学列为该实验站的研究目标。量子电动力学描述光与带电粒子如何相互作用。极强电磁场使研究人员能够在远超普通实验室实验的条件下探究这种相互作用。
这一联合设施还计划支持高能量密度物理研究，该领域研究能量高度集中在小体积内的物质。如果能在同一实验中结合高强度光学激光与 X 射线探针，研究人员就能创造极端条件并观测其中发生的现象。
协调一台长度超过 3 公里的设备
SHINE 全长约 3.1 公里，建于地下约 29 米处。如此庞大的规模使时序控制、设备控制和快速保护成为科学仪器的重要组成部分，与加速器和磁体同样不可或缺。
《核工程与技术》期刊上的一篇控制系统论文介绍了一套旨在控制多达 10,000 台设备的系统。这些设备包括电源、激光器、真空设备及加速器综合设施中的其他部件。
该系统采用名为 EPICS 的实验物理与工业控制系统框架，将设备控制与操作员界面、数据采集和监测连接起来。基于 White Rabbit 技术的时序网络将时钟信号分发至整个设施。注入器时序系统已完成安装并成功投入使用，信号分发频率为 1.003086 MHz。
机器保护也是一项艰巨任务。设计方案监测约 5,000 个故障信号，并使用可编程电子设备，在设备状况需要时降低或停止束流。论文给出的响应时间为站内低于 1 微秒、站间低于 30 微秒。快速保护有助于在强束流偏离预设条件时限制设备损坏。
该论文提交时，只有注入器已具备运行能力，完整的加速器控制系统仍在开发中。随后公布的首次出光标志着调试进入新阶段。将加速器、辐射传输、保护系统和实验站整合起来，仍是项目按计划转入常规科研使用的关键。
SHINE 的建设方及下一步计划
上海科技大学是负责建设的法人实体。其职责包括项目规划、工程监督、质量与安全管理，以及未来的运行和开放使用。学校还负责土建工程、5 个实验站和部分束线建设。
中国科学院上海高等研究院负责加速器、波荡器、公用设施和部分束线。中国科学院上海光学精密机械研究所正在建设极限光物理束线站。这一分工使加速器、实验设备和未来的用户运行工作由多个机构共同承担。
项目已公布的里程碑展现了从地下施工到束流调试的进展：
- 2018 年 4 月：上海开始土建施工。
- 2022 年底：SXFEL 的单色器测试在 520 电子伏特下实现超过 5,300 的分辨本领。
- 2023 年 4 月：SHINE 开始安装注入器。
- 2023 年底：据 2024 年进展论文，所有竖井和隧道均已完工。
- 10 月 21 日公告：上海科技大学公布使用 4 GeV 电子束和 18 个波荡器模块实现首次出光。
- 2027 年底：SHINE 计划建成并投入运行。
随着建设推进，早期技术计划也有所调整。2023 年束线研究预计 FEL-II 于 2025 年春季开始调试。2024 年进展论文称，有望在 2025 年底前首次实现激光发射，但任务具有挑战性，同时预计 2027 年开展用户实验。最新公告将 2027 年底定为建成并投入运行的目标时间。
SHINE 被称为全球两座兼具高频脉冲和硬 X 射线自由电子激光能力的同类设施之一。另一座是正在美国建设的直线加速器相干光源 II 高能升级项目。对研究人员而言，上海项目的实际价值将取决于调试完成后，能否开放计划中的能量范围、脉冲模式和实验站供其使用。
要点
- SHINE 在上海利用 4 GeV 电子束和 18 个波荡器模块实现首次出光。
- 建成后的加速器设计能量为 8 GeV，是此次里程碑所用电子束能量的两倍。
- 前两条线预计覆盖 0.2 至 15 keV；三条线的整体基准范围可达 25 keV。
- 部分运行模式目标为每秒产生 100 万个 X 射线脉冲，脉冲持续时间为数十飞秒。
- 首期计划建设 10 个实验站，其中包括一座将 X 射线与 100 拍瓦激光结合的实验站。
- 项目由上海科技大学牵头，目标是在 2027 年底建成并投入运行。
