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“大连光源”给分子原子“拍电影”

稿源:中国青年报 编辑:白璐 2018-07-23 10:37

  上亿元研制,90%仪器设备为自主研发—— “大连光源”给分子原子“拍电影”

  作为我国最新一代光源“极紫外自由电子激光装置”,“大连光源”即“基于可调极紫外相干光源的综合实验研究装置”终于进入正式运行阶段。近日,这个由中科院大连化学物理研究所和上海应用物理研究所联合研制的项目一期通过专家验收,标志着该装置完成各项建设任务。

  据公开资料显示,“大连光源”于2012年获得国家自然科学基金委的立项资助,专项经费1.033亿元。这个花费上亿元研制的高端先进仪器设备,究竟可以用来做什么,成为备受瞩目的问题。

  “光源”,顾名思义,就是自己能够发光的物体,其最大用处就是照亮周围的世界,帮助人类更好地去认识和改造我们生活的环境。纵观人类文明史,最伟大的进步之一就是发明了电灯,从某种意义上说有了电灯,人类就可以照亮世界上任何一个黑暗的角落。

  同样的道理,“大连光源”也是一台能够自己发出光线,从而帮助人类探索未知世界的科学仪器。只不过,“大连光源”发出的光线不是我们熟知的可见光,而是极紫外光,亮度极高的极紫外激光光束——这种光束是以自由电子作为工作介质产生的,因此又被称为“极紫外自由电子激光”。

  极紫外光是整个光谱当中非常有用的一个波段,可以探测物质的分子、原子和外壳层电子结构最重要的区域。换句话说,“大连光源”发出的极紫外光束可以捕捉到分子、原子在化学反应中的动态影像,能够用来给分子、原子“拍电影”,这在以往是难以想象的。

  分子、原子是构成物质的最基础的微观粒子,物质的一切外在性质和状态都由其分子、原子的结构所决定。因此,探索分子、原子的结构对于研究物质的物理性质、化学性质、生命基本性质、材料性质和功能等具有本质上的提升作用。

  从这个意义上说,“大连光源”对于能源、化学、物理、生物、医学、材料等多个自然科学领域都具有革命性的推动作用。

  说起“大连光源”的建设,最早要追溯到2011年。当时,由杨学明、赵振堂、王东领导的大连化物所和上海应物所联合研发团队,提出了在我国率先建设基于国际上新一代极紫外高增益自由电子激光的综合实验装置的计划。

  2012年,该项目获得国家自然科学基金委立项资助,2014年10月,“大连光源”实验楼正式破土动工。2016年9月24日,在不到两年的时间里,项目组完成了主要基建工程和主体光源装置的研制,并实现了光源装置的首次出光,创造了同类大型科学装置建设的新纪录。

  后又经过两个多月的调试,“大连光源”先后实现了自发辐射自放大模式和高增益谐波放大模式饱和出光,成为我国第一台大型自由电子激光科学研究用户装置,也是当今世界上唯一运行在极紫外波段的自由电子激光装置。

  按照“大连光源”项目团队的说法,该设备可以工作在飞秒或皮秒脉冲模式,每一个激光脉冲可产生超过140万亿个光子,单脉冲亮度是世界上所有极紫外光源中最亮的,波长可在整个极紫外区域连续可调,具有完全的相干特性。更难能可贵的是,这一装置90%的仪器设备是由我国自主研发,标志着我国自由电子激光的相关技术已达到国际先进水平。

  当然,目前建成的这一装置只是“大连光源”的一期项目,之后,科学家希望能建成一个更为先进的二期项目。

  与一期项目相比,二期项目最大的不同就在于重复频率的提高。重复频率指的是光源在单位时间内发出的脉冲的数量——这个数量越高,就意味着科学家在同样时间内获得的实验数据就会越多,当然,实验效率就会越高。

  例如,探测一个化学反应过程,如果每秒钟只能拍到10张照片,获得的影像就显得卡顿;但如果每秒钟能拍到上万张照片,获得的就是超高清晰的动态影像。

  也因此,《自然》杂志又把高重复频率的自由电子激光称为科学家的“高速摄像机”。未来的“大连光源”二期项目,重复频率将从现在的50赫兹提高到100万赫兹,这有望成为人类科技发展历程中又一次里程碑式的进步。

  邱晨辉孙洋来源:中国青年报

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