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極紫外區的“中國神光”:大連光源出光了

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大連光源 劉萬生攝

大連光源出光了。

1月15日,由中科院大連化學物理研究所和上海應用物理研究所聯合研制的極紫外自由電子激光裝置——大連光源,在經過3個多月的調試后,這個總長100米的大裝置發出了世界上最強的極紫外自由電子激光脈沖,單個皮秒激光脈沖產生140萬億個光子,成為世界上最亮且波長完全可調的極紫外自由電子激光光源。

中科院副院長王恩哥評價稱:“大連光源是中科院乃至我國的又一項具有極高顯示度的重大科技成果。裝置中90%的儀器設備均由我國自主研發,標志著我國在這一領域占據了世界領先地位,為我國未來發展更新一代的高重復頻率極紫外自由電子激光打下了堅實的基礎。”

給分子“拍個電影”

自由電子激光是國際上最先進的新一代先進光源,也是當今世界先進國家競相發展的重要方向,在科學研究、先進技術、國防科技發展中有著重要的應用前景。先進自由電子激光的發展在前沿科學研究中發揮著越來越重要的作用,特別是近十年來,自由電子激光技術的發展和突破為探索未知物質世界、發現新科學規律、實現技術變革提供了前所未有的研究工具。

“自由電子激光能夠給分子‘拍電影’,比如記錄化學鍵斷裂的動態過程,具有非常誘人的應用前景。”中科院上海應物所所長趙振堂說。

而要拍好這部“電影”,離不開神奇的極紫外光。

當波長短到100納米附近時,一個光子所具備的能量就足以電離一個原子或分子而又不會把分子打碎,這個波段的光稱為極紫外光。

“在科學實驗中,需要探測的原子或分子數量可能非常少,存在時間也非常短,普通的極紫外光源無法滿足這個需求,必須要有高亮度的極紫外光源,即極紫外激光。”中科院大連化物所分子反應動力學國家重點實驗室研究員戴東旭解釋稱,“極紫外激光只能在‘特殊物質’中產生,這個‘特殊物質’就是脫離原子核而單獨存在的自由狀態的電子。”

但是,一臺運行在極紫外波段的自由電子激光設備在世界上尚屬空白。

這讓科學家感到,中國的機會來了。

中國第一 世界最亮

在國家自然科學基金委國家重大儀器專項資助下,由大連化物所和上海應物所聯合研制的大連光源項目于2012年初正式啟動,2014年10月正式在大連長興島開工建設,并于2016年9月底安裝完成,首次出光。

至此,大連光源成為我國第一臺大型自由電子激光科學研究用戶裝置,是當今世界上唯一運行在極紫外波段的自由電子激光裝置,也是世界上最亮的極紫外光源。

光源的每一個激光脈沖可產生超過100萬億個光子,波長可在極紫外區域完全連續可調,具有完全的相干性;該激光可以工作在飛秒或皮秒脈沖模式,可以用自放大自發輻射或高增益諧波放大模式運行。在這樣的極紫外光照射下的區域內,幾乎所有的原子和分子都“無處遁形”。

“大連光源屬于第四代光源,在化學、能源、物理、生物、環境等重要研究領域有著廣泛的應用,我國率先建成這一先進光源,對推動我國乃至世界在這些領域的研究發展有著極其重要的意義。”中科院院士、中科院大連化物所副所長楊學明說,“大連光源的成功研制也為我國未來發展X波段的自由電子激光打下了堅實基礎。”

例如,舉國關注的霧霾問題,就可以利用大連光源來研究。大氣中的化學物質與水分子作用后,形成分子團簇,這些團簇在生長過程中吸附大氣中各種污染分子,生長為較大的氣溶膠顆粒,并逐漸成長為霧霾。利用大連光源極紫外軟電離技術,就可以研究霧霾的生長過程,從根本上理解霧霾形成的機理,為大氣污染防治提供科學依據。

在王恩哥看來,在當今世界,大科學工程對于科技發展起著越來越重要的推動作用。大連光源的建成出光,成為我國大科學工程的又一成功范例,將大大促進我國在能源、化學、物理、生物、材料、大氣霧霾、光刻等多個重要領域研究水平的提升,為我國科技事業注入新的活力。

一次握手 造就典范

大連光源正式開工建設以來,在兩年的時間里完成了基建工程以及主體光源裝置的研制,并且在很短的時間內調試成功產生了世界上單脈沖最亮的極紫外激光,創造了我國同類大型科學裝置建設的新記錄。

這一項目也開創了我國科學研究專家與大科學裝置研制專家成功合作的先例,對于未來加快推動大科學裝置在科學研究中的應用具有重要的現實意義。

以科學目標為驅動,讓大連光源成為我國大科學裝置研制的典范。趙振堂告訴《中國科學報》記者,我國早期的大科學裝置,往往都是先建好裝置,再去找用戶,看看哪些科學家能用。“但是大連光源把這個過程反了過來,是科學家先對科研有了需求,再找到工程團隊來合作。這要求我們在建裝置之前就充分調研,開工之前就要掌握裝置的科學目標是什么。”

大連化物所的長處是科學研究,而上海應物所團隊在大科學裝置建設方面積累了20年的經驗,兩個團隊為了相同的夢想走到了長興島,合作順利得出人意料。

“合作、協同是中科院的優良傳統。”趙振堂認為,“現在看來,打破研究所之間藩籬,整合各所力量,集各家之長來建大科學裝置,是投入產出比最小、效率最高的一種方式。”

接下來,大連化物所以及上海應物所的項目專家將進一步把大連光源建設成為高水平的實驗研究用戶裝置,為我國乃至世界提供一個獨特的科學研究裝置。

《中國科學報》 (2017-01-16 第1版 要聞)
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責任編輯: 閆月

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