7月2日，英国科学与技术基础设施理事会（STFC）发布X射线自由电子激光器（XFEL）的科学案例草案^[1]，试图回答：未来几十年，XFEL将带来怎样的科学和技术机会；从2030年左右开始运行的具有新功能的英国XFEL设施将带来哪些影响。

　　在2016年STFC完成战略性自由电子激光器审查之后，帝国理工学院Jon Marangos教授领导的25人专家团队撰写了此科学案例草案，目前正在征求科学界的意见，并将于今年晚些时候进行正式的独立审查。独立的外部专家审查将确定英国的XFEL是否存在科学上的“任务需求”，如果存在“任务需求”，将启动概念设计研究，以研究英国XFEL的技术和财务可行性。

　　1、XFEL在当前和未来科学技术中日益重要。全球领先的工业国家已经建立了自己的XFEL，美国、日本、德国、瑞士、意大利、韩国和中国已有正在运行或建设中的设施。XFEL被认为会对科学进步、未来经济增长和国家实力增强做出重要贡献。XFEL在量子时空尺度上理解和控制物质具有变革性作用；其超强的X射线脉冲为了解宇宙中的光和物质打开了新窗口，从而提供了一系列新的研究机遇；高亮度X射线可用于开发X射线光刻等新技术；驱动X射线激光所需的线性加速器所产生的高能电子束也可以直接用于进行基本的物理研究、驱动世界上最亮的伽马射线源、开发新的加速器技术。

　　2、英国XFEL将为科学和技术进步创造新机遇。XFEL可以回答的重大科学问题包括：材料在行星核的高压下会如何表现？活细胞如何发生酶催化反应？如何利用光控制量子材料的状态，如超导性？分子机器如何有效地跨越能垒来驱动生物过程？X射线如何在恒星内部传播？诸如水之类的液体如何在纳米尺度上变化和波动？如何最佳利用太阳能和信息技术中的量子力学？此外，XFEL对于发展具有潜在重要意义的新兴技术也至关重要：开发快速、节能、紧凑的数据存储技术；优化用于信息处理的新型量子传感器；促进采光、利用太阳能生物燃料生产进行碳捕集以及能源存储技术的开发；发现先进的药物、抗生素和抗病毒药；利用地球上丰富的元素促进可持续化学发展；设计用于国防、工业和核能的先进材料。

　　3、先进的英国XFEL将为新的科学技术赋能，通过应对人工智能和数据经济、清洁增长、移动未来和老龄化社会等关键挑战，促进英国工业战略的实施。例如，XFEL将产生大量数据，需要开发前沿概念才能有效处理，因此英国的XFEL将成为数据科学、人工智能和机器学习等新思想的孵化器，这些思想快速传播进入更广泛的经济领域，同时也将培训出大量训练有素的科学家和工程师。

　　4、通过以优化的方式整合加速器和X射线科学的新进展，英国XFEL可设计成世界领先的设施。这确保了最高质量和最通用的X射线规格，例如通过超常规的X射线生成方案，利用激光播种、阿秒操作和高亮度模式方面的发展，来实现具有高光谱纯度和亮度以及前所未有的时间分辨率的有限X射线脉冲的变换。在软X射线范围内具有较高的重复率，而在硬X射线范围内具有适度的高重复率，是一种有力的组合，这将是世界领先且具有成本效益的。使用高质量的相对论电子束来促进加速器科学发展并提供伽马射线源，这将使核科学和英国工业界受益。同时需要开发先进的数据处理技术，以支持最先进的分析工作。

　　5、易于访问是确保XFEL提供潜在能力最为重要的。建议在设施设计之初就考虑仪器、终端站和数据系统的适当技术配置。用户仅提供样品而无需亲自在现场进行实验的可能性将在当前技术成熟度较高的科学领域得到实现，如串行纳米晶体学。这种方法将显著提高设施吞吐量并降低访问门槛。降低访问障碍的第二点在于为新用户提供更好的培训和支持，以开发和广泛传播有效使用该设施所需的专业知识。建议在哈韦尔生命和物理科学中心已采取行动的基础上，立即着手此项工作。

　　6、英国必须继续作为欧洲XFEL的正式成员。从长远来看，计划中的英国XFEL将提供超越现有任何设施的新功能，并将继续作为欧洲XFEL的补充。未来几十年，英国对欧洲科学的参与可能会保持下去，但不会大大增加。随着地缘政治路线的演变，必须重新考虑保护英国最大利益的战略。确保获得最佳XFEL设施的访问权限对于长期确保主权和工业能力至关重要。                                 （王海霞）