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大連光源將有哪些應用:能給原子拍視頻

大連光源,極紫外自由電子激光,

日前,由中國科學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”,發出了世界上最強的極紫外自由電子激光脈沖,單個皮秒(1皮秒等于一萬億分之一秒)激光脈沖產生140萬億個光子,這套總長100米的裝置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。

自由電子激光是國際上最新一代先進光源,也是當今世界發達國家競相發展的重要方向,在科學研究、國防科技發展中有著重要的應用前景。

“大連光源”是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。它也是繼“合肥光源”和“上海光源”之后,我國在該領域的又一次重要探索。極紫外光是什么,這套先進的大科學裝置基本原理又是什么,將有哪些應用?

光源亮、脈沖短,微觀世界看得更清楚

人類已經知道,很多物理和化學過程在本質上都是原子和分子運動的過程。要控制或利用這些過程,需要研究其中涉及的原子和分子的反應機制,也就需要精確且高度靈敏地探測所涉及的原子和分子。

自19世紀以來,電和電磁波就成為人類認識和感知物質世界的最重要的媒介和手段,比如通過麥克風把聲音轉換成電信號,再進行處理和傳輸。人類研究原子和分子的反應機制,最直接的方法也是將其變成易于識別和處理的電信號。其過程是把原子或分子中的電子“打”(電離)出來,可以得到原子分子以及物質的結構和動態信息,進而在微觀層次上探索物質世界的奧秘。

近代物理已經證明,光具有波粒二象性,既是電磁波,同時也是粒子。光子本身帶有能量,波長越短,光子的能量就越高。而當光的波長短到約100納米時,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它們打碎,這個波段的光稱為極紫外光。但是由于在科學實驗中,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一需求,因此必須要有高亮度的極紫外光源,即極紫外激光。“光源亮,微觀世界可以看得更清楚;脈沖短,我們可以看到分子和原子在物理和化學變化中超快的過程。”中科院大連化學物理研究所副所長楊學明院士說。

最亮的“閃光燈”、最快的“快門”,能讓分子、原子“無處遁形”

極紫外激光能電離幾乎所有組成普通物質的原子和分子,因此,極紫外激光也無法在普通物質中產生和放大,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。

根據電動力學原理,加速運動的電子會向外輻射電磁波,振蕩的電子輻射電磁波能力非常強。常用的無線信號,無論是電視還是手機,都是通過驅使電子在天線里來回振蕩發射電磁波。

“大連光源”由加速器、波蕩器和光束線站三部分構成。先由時間寬度為幾個皮秒的脈沖激光(驅動激光)在光陰極上打出一簇高密度的脈沖電子,再利用直線加速器將這個脈沖電子束加速到3億電子伏特的能量,電子的速度與光速非常接近。另一束皮秒或者相近時間寬度的強激光(種子激光)照射在這個高能電子束上,電子束中的電子在種子激光的作用下,就會按照激光的波長在空間重新分布(調制),然后讓被調制的電子束繼續穿越一系列周期性變化的磁場。電子在周期性磁場中就會一邊以光速向前飛行,一邊左右擺動,向前輻射出光線。途中各處發射的光會疊加增強,同時電子自身輻射的光也在調制電子自己的空間分布,從而使得電子更加強烈地輻射光線,適當地選擇周期性磁場的強度,就會使得種子激光中的某個諧波成分按照前述方式急劇地自激放大并達到飽和,從而輸出極紫外激光。

“‘大連光源’有最亮的‘閃光燈’,峰值功率的亮度比太陽光高100億倍的100億倍,有最快的‘快門’,出光長度能達到飛秒(1飛秒等于一千億分之一秒)、皮秒,不但能讓分子、原子‘無處遁形’,還能給它們‘拍電影’,將物理化學反應的全過程動態記錄下來。”上海應用物理研究所所長趙振堂用一連串的比喻來說明“大連光源”的大用場。

應用廣泛,有助于理解霧霾形成的機理

“大連光源”采取了一系列先進技術,包括引入雙饋入電子直線加速管、楔形波蕩器技術等,自行設計和搭建的驅動激光的整形系統及其穩定性達到了國際先進水平。項目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,3個月內調試成功,創造了我國同類大型科學裝置建設的新紀錄。中國科學院副院長王恩哥院士認為,“‘大連光源’建成出光,成為我國大科學工程的又一成功范例,將為我國的科技事業注入新的活力。”

“作為一套真正的用戶裝置,‘大連光源’將成為一個面向全世界的研究平臺。”楊學明表示。建成以后,“大連光源”將成為當今世界上在極紫外波段最強的自由電子激光,因此是研究與原子分子過程相關的物理和化學科學問題的利器。“大連光源”綜合實驗裝置還以極紫外相干光源為依托,配套研制了一系列具有國際先進水平的,用于研究與燃燒、大氣以及潔凈能源相關的物理化學過程的實驗站,使得該裝置成為相關研究領域的在國際上不可替代的研究平臺。

據了解,“大連光源”在燃燒化學、極紫外光光刻、生物分子結構及動力學、大氣霧霾化學等領域應用廣泛。“以大氣霧霾為例,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各種污染物分子,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’的極紫外軟電離技術,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。”大連化學物理研究所研究員張未卿表示。

延伸閱讀

合肥光源

1983年4月,中科大國家同步輻射實驗室正式立項,建設我國第一臺專用同步輻射光源,被稱為“合肥光源”。1989年合肥光源建成,并發出中國第一束“神奇之光”。利用“合肥光源”,我國首次完成探月衛星“嫦娥一號”太陽風離子探測器正機的實驗標定和測試,首次獲得了X射線全息圖樣等。

上海光源

1999年,“上海光源”項目預研工作正式啟動,2009年建成投入運行。

“上海光源”其實就相當于一臺巨型的“超級顯微鏡”,它可以給微觀世界,例如花草樹木的呼吸過程、人體蛋白質分子活動等,拍攝高清晰度的科學照片。“上海光源”建成后,出光的穩定性始終保持良好,為中國科學家進一步擴寬了探索視界。

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責任編輯: 閆月

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