4 GeV 電子束讓上海重大計畫更接近啟用
中國上海的 SHINE 研究設施以能量為 4 gigaelectronvolts（GeV）的電子束，首次產生自由電子雷射光；這是完整加速器規劃能量的一半。上海科技大學於 10 月 21 日宣布這項突破，象徵計畫朝 2027 年底完工並啟用的目標邁出重要一步。
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這次首次發光使用 18 個波蕩器模組，每個模組長 4 公尺，內含每隔 55 毫米重複一次的磁場排列。這些模組合計提供 72 公尺長的磁性結構，引導高速電子沿著蜿蜒路徑前進，使其放出光線並逐漸增強，形成強烈的雷射脈衝。
SHINE 是 Shanghai High repetition rate XFEL and Extreme light facility（上海高重頻 XFEL 與極端光設施）的縮寫，設計目的是協助科學家觀察奈米尺度的結構，以及持續數飛秒的變化。奈米是十億分之一公尺；飛秒是千萬億分之一秒。這些尺度讓研究人員得以探究原子與分子的微小結構及快速運動。
工程於 2018 年 4 月動工。超導直線加速器完工後，預計可達 8 GeV，部分運轉模式每秒最多可產生 100 萬個 X 光脈衝。首批兩條波蕩器線預計涵蓋 0.2 至 15 kiloelectronvolts（keV）的光子能量。
目前這項成果是在試運轉期間產生雷射光。試運轉是讓設備進入可運作狀態並檢查其性能的過程。依照規劃，2027 年轉入正式運作後，才會進行供訪問研究人員使用的常規實驗。上海科技大學尚未公布確切啟用日期或研究人員的申請時程。
電子如何運動並產生 X 光雷射
SHINE 以電子為起點，不同於許多常見雷射使用的發光材料。直線加速器先為電子加速，再將它們送入波蕩器；交替變化的磁場會使電子左右移動並輻射。
電子與輻射在通過一連串模組時彼此作用。在適當條件下，電子會排列成微小群束，一同放出輻射，讓光線增強成為強烈脈衝。電子能量和磁性結構間距有助於決定產生的光子能量；光子是構成光的個別能量包。
4 GeV 指的是首次發光所使用電子束的能量。0.2 至 15 keV 則是首批兩條波蕩器線預期產生的光子能量範圍。這兩種數值測量的是機器的不同部分：GeV 在此指驅動整個過程的粒子能量，keV 則指供實驗使用的 X 光能量。
SHINE 使用連續波超導加速器。超導元件在極低溫下運作，電流通過時的電阻極小。連續波運轉讓加速器的射頻場持續運作，因此能頻繁產生電子束團，而非仰賴間隔很長的脈衝。
三條光束線，各有不同能量範圍
首期計畫的規模比首次發光里程碑所使用的設備更大。計畫的2024 年進展論文於國際粒子加速器會議發表，內容描述三條波蕩器線、三條 X 光傳輸光束線及 10 個實驗站，基準光子能量範圍為 0.4 至 25 keV。
FEL-I 的設計能量範圍為 3 至 15 keV，FEL-II 為 0.4 至 3 keV，FEL-III 則為 10 至 25 keV。FEL-II 產生能量最低、也就是最「軟」的 X 光；另外兩條線產生能量較高、波長較短的硬 X 光。
最新公告所提的 0.2 至 15 keV 範圍涵蓋首批兩條光束線；較廣的 0.4 至 25 keV 基準範圍則包括 FEL-III。2024 年論文也描述一條新增的旁通線，可將 5 GeV 電子束送至 FEL-II，使其輸出能量下探至 0.2 keV。
同一篇論文指出，FEL-I 設有 42 個平面波蕩器，FEL-II 設有 32 個，另有四個下游波蕩器可調整偏振，也就是光的電場振盪方向。首次發光所用的 18 個模組，是這套較大規模規劃設備中的一種試運轉配置。
各條光束線的性能也不盡相同。設計資料顯示，FEL-I 與 FEL-II 的脈衝持續時間約為 30 飛秒，重複頻率最高達 1 MHz，也就是每秒 100 萬個脈衝。2023 年的一項技術研究則指出，FEL-III 的重複頻率最高為 0.1 MHz，即每秒 10 萬個脈衝。
超短脈衝能讓科學家觀察什麼
生命科學、量子材料與未來能源研究，都是 SHINE 規劃的應用領域。結合微小空間尺度與極短曝光時間，是實現這些目標的關鍵：研究人員希望同時了解物質如何排列，以及這些排列如何改變。
短 X 光脈衝可以捕捉快速過程中的某個階段。以不同的時間間隔重複實驗，在過程開始後再進行探測，有助於研究人員拼湊出一連串變化，就像將不同畫格串成影片。高頻脈衝提供更多收集測量資料的機會，對單次訊號微弱的情況尤其有幫助。
規劃中的初期實驗站將採用同調繞射成像、超快 X 光光譜、光電子測量及串列飛秒結晶學。繞射成像會根據 X 光在樣本散射後形成的圖樣重建結構；光譜學則檢視物質如何吸收或放出輻射，藉此揭示其電子結構資訊。
串列飛秒結晶學會收集許多微小晶體在極短脈衝照射下形成的繞射圖樣。光電子技術測量光線釋出的電子，協助研究人員探究電子在材料中的行為。這些規劃中的方法，讓 SHINE 得以從多個角度連結微觀結構與快速的物理或化學變化。
更精準控制光線本身
SHINE 的軟 X 光線規劃提供多種運轉模式，而非只有單一脈衝形式。2023 年發表於《Frontiers in Physics》的光束線研究，將自放大自發輻射、自我播種、外部播種與偏振控制列為基準選項。
自放大自發輻射通常簡稱 SASE，雷射由電子自身的初始輻射逐漸增強。播種則使用控制更精準的起始訊號。自我播種會篩選部分 X 光輻射，再用來驅動後續放大；外部播種則以另一束雷射作為起始訊號。這些方法旨在產生光譜與時間結構更精確可控的光線。
研究描述一種軟 X 光輻射器，包含 32 個長度各為 4 公尺的模組，主要磁場週期為 55 毫米。上游 14 個模組採用可切換設計，週期可在 55 與 75 毫米間切換。這種彈性可支援不同運轉條件，以及將種子雷射輻射轉換為更短波長的技術。
部分相關技術已在上海另一座軟 X 光自由電子雷射設施 SXFEL 測試。研究記錄了透過回波啟動諧波產生法，在第 47 與第 54 諧波產生雷射；這種方法會整理電子排列，使其以種子雷射頻率的倍數放出輻射。研究也記錄了第 61 諧波的訊號。
單色器是一種選取狹窄光子能量範圍的光學儀器，於 2022 年底在 SXFEL 測試，在 520 electronvolts 下的解析度達 5,300 以上。這類研發有助於 SHINE 提供選取更精準的 X 光脈衝。研究也討論未來產生阿秒脈衝的可能性；阿秒是飛秒的千分之一。
用於極端條件的 100 petawatt 雷射
SHINE 也規劃設置極端光站，將自由電子雷射與峰值功率達 100 petawatts 的超短脈衝雷射結合。計畫稱，這將是全球首座結合此功率雷射與自由電子雷射的實驗站。
一 petawatt 等於一千兆瓦。100 petawatts 指的是極短脈衝期間的峰值功率。將能量集中在如此短的時間內，可產生強大的電磁場，供研究人員在極端條件下進行物質實驗。
2024 年進展論文將強場量子電動力學列為該實驗站的研究目標。量子電動力學描述光與帶電粒子之間如何作用。極強電磁場讓研究人員得以在遠超一般實驗室實驗的條件下，探究這種作用。
這座綜合設施也將支援高能量密度物理研究，探討大量能量集中在小體積中的物質。若能在同一項實驗中結合高強度光學雷射與 X 光探測器，研究人員便可創造極端條件，並觀察其中發生的現象。
協調一座長逾 3 公里的設施
SHINE 全長約 3.1 公里，建於地下約 29 公尺處。設施規模龐大，因此計時、設備控制與快速防護，和加速器及磁鐵一樣，都是這項科學儀器不可或缺的部分。
《核工程與技術》期刊的一篇控制系統論文描述一套預計控制多達 10,000 台設備的系統，包括分布於加速器園區各處的電源供應器、雷射、真空設備及其他元件。
這套系統採用實驗物理與工業控制系統架構（EPICS），將設備控制連接至操作人員介面、資料收集與監測系統。設施透過以 White Rabbit 技術為基礎的計時網路分送時鐘訊號。注入器計時系統已完成安裝並成功投入使用，分送訊號的頻率為 1.003086 MHz。
機器防護也是一項艱鉅任務。設計系統會監測約 5,000 個故障訊號，並使用可程式化電子設備，在設備狀況有需要時降低或停止電子束。論文指出，系統在單一站內的反應時間不到一微秒，站與站之間則不到 30 微秒。快速防護有助於在強力電子束偏離預定狀態時，減少設備損壞。
該論文投稿時，只有注入器具備實際運作功能，完整的加速器控制系統仍在開發中。後續宣布首次發光，代表試運轉進入下一階段。整合加速器、輻射傳輸、防護系統與實驗站，仍是按計畫轉入常規科學研究的關鍵工作。
SHINE 的建造團隊與後續規劃
上海科技大學是負責建設的法人單位，職責包括計畫規劃、工程監督、品質與安全管理，以及未來的營運和開放使用。該校也負責土木工程、五個實驗站及部分光束線建設。
中國科學院上海高等研究院負責加速器、波蕩器、公用設施及部分光束線。上海光學精密機械研究所則負責建造極端光物理光束線實驗站。這樣的分工讓加速器、實驗設備與未來的使用者服務由多個機構共同承擔。
計畫公布的里程碑呈現工程從地下施工進展至電子束試運轉的過程：
- 2018 年 4 月：上海土木工程動工。
- 2022 年底：SXFEL 單色器測試在 520 electronvolts 下，解析度達 5,300 以上。
- 2023 年 4 月：SHINE 開始安裝注入器。
- 2023 年底：根據 2024 年進展論文，所有豎井與隧道均已完工。
- 10 月 21 日公告：上海科技大學公布以 4 GeV 電子束及 18 個波蕩器模組實現首次發光。
- 2027 年底：SHINE 目標完工並啟用。
隨著工程推進，較早期的技術時程也有所調整。2023 年光束線研究預期 FEL-II 將於 2025 年春季進入試運轉。2024 年進展論文指出，2025 年底前首次產生雷射光雖有可能但具挑戰性，並預期 2027 年開始供使用者進行實驗。最新公告則將 2027 年底訂為完工並啟用的目標。
SHINE 被描述為全球兩座同時具備高頻脈衝與硬 X 光自由電子雷射能力的同類設施之一。另一座是正在美國興建的 Linac Coherent Light Source II 高能量升級計畫。對研究人員而言，上海這項計畫的實際價值，將取決於試運轉完成後能否使用其規劃的能量範圍、脈衝模式與實驗站。
重點整理
- SHINE 在上海以 4 GeV 電子束及 18 個波蕩器模組實現首次發光。
- 完整加速器的設計能量為 8 GeV，是此次里程碑所用電子能量的兩倍。
- 首批兩條光束線預計涵蓋 0.2 至 15 keV；三條光束線的基準範圍則延伸至 25 keV。
- 部分運轉模式目標為每秒產生 100 萬個 X 光脈衝，脈衝持續時間為數十飛秒。
- 首期計畫設有 10 個實驗站，其中包括結合 X 光與 100 petawatt 雷射的實驗站。
- 計畫由上海科技大學主導，目標於 2027 年底完工並啟用。
