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“世界最亮”的光、分子原子運(yùn)動(dòng)的“攝像機(jī)”
人類自誕生之日起，就一直在黑暗中找尋光明。除了太陽光等自然光源外，伴隨人類文明的進(jìn)步，人造光源也逐漸成為人類認(rèn)識(shí)世界和感知世界的工具。從上世紀(jì)40年代，美國在加州大學(xué)伯克利分校研發(fā)了第一代高能電子束同步加速器后，世界各國競(jìng)相建設(shè)先進(jìn)光源。作為全球最先進(jìn)的第四代光源，自由電子激光在前沿科學(xué)研究中發(fā)揮著不可替代的作用，尤其近十年來，已成為人類探索未知物質(zhì)世界、實(shí)現(xiàn)技術(shù)變革、發(fā)現(xiàn)新科學(xué)規(guī)律的重要研究工具。
中科院大連化學(xué)物理所研究員正在調(diào)試“大連光源”裝置
近代物理學(xué)表明，光的本質(zhì)是電磁波，且?guī)в心芰?。光的波長越短，能量越高?？梢姽獾哪芰枯^小，波長處于400-700納米之間，可以刺激人的視覺細(xì)胞產(chǎn)生信號(hào)。波長小于可見光的紫外光，由于能量較高，會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，比如UVA和UVB。而當(dāng)波長短至約100納米時(shí)，光所具備的能量足以電離一個(gè)原子或分子而又不會(huì)把分子打碎，這個(gè)波段的光稱為極紫外光。
借助于極紫外光將分子或原子中的電子“打”出來，分子、原子在變成帶有正電荷的離子后擊打在探測(cè)器上，就會(huì)形成“電”信號(hào)。如此，科學(xué)家們就可以靈敏地“看到”微觀世界。然而由于在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，需要探測(cè)的分子、原子數(shù)量可能非常少，存在時(shí)間也相當(dāng)短，普通的極紫外光源無法滿足需求，必須借助于高亮度的極紫外光源，即極紫外激光。
“大連光源”發(fā)出的光正是極紫外激光。有了極紫外激光，科學(xué)家們就仿佛多了一件可探測(cè)微觀世界的“顯微鏡”。更令人嘆為觀止的是，“大連光源”發(fā)出的極紫外激光不僅僅是“顯微鏡”，更是能攝錄分子、原子運(yùn)動(dòng)過程的“攝像機(jī)”。
實(shí)際上，與人類生活息息相關(guān)的許多物理和化學(xué)過程，本質(zhì)都是分子和原子的反應(yīng)過程。人類創(chuàng)造的第三代同步輻射光源，可以為微觀世界的粒子“拍照”。與之相比，“大連光源”已經(jīng)先進(jìn)到可以把一幀幀“照片”接合起來，為分子、原子“拍電影”，動(dòng)態(tài)記錄下其物理、化學(xué)反應(yīng)的全過程。
若論光的亮度，其定義是單位時(shí)間內(nèi)、單位立體角內(nèi)、單位面積上、單位波長范圍內(nèi)所發(fā)射的光子數(shù)量。形象來看，太陽光的亮度是一般家用白熾燈的1萬倍，第三代人造光源的亮度又是太陽光的100億倍。而“大連光源”的峰值亮度可以達(dá)到第三代光源的100億倍，所謂“世界最亮”名不虛傳。
“大連光源”裝置中90%的設(shè)備由中國自主研發(fā)
“大連光源”平鋪在一個(gè)長達(dá)100多米的隧道內(nèi)，由加速器、波蕩器和光束線站三部分構(gòu)成。其發(fā)光原理為，先由時(shí)間寬度為幾個(gè)皮秒的脈沖激光（驅(qū)動(dòng)激光）在光陰極上打出一簇高密度的脈沖電子，直線加速器會(huì)將這個(gè)脈沖電子束加速到3億電子伏特的能量，這相當(dāng)于讓電子穿越3億伏的超高壓電場(chǎng)。再用另一束皮秒或者亞皮秒時(shí)間寬度的強(qiáng)激光（種子激光）照射在這個(gè)高能電子束上，電子束中的電子在種子激光的電磁場(chǎng)作用下，會(huì)按照激光的波長在空間調(diào)制，這其中含有豐富的諧波成分。接著，讓被調(diào)制的電子束繼續(xù)穿越一系列周期性變化的磁場(chǎng)，即波蕩器。根據(jù)電磁學(xué)原理，電子在周期性磁場(chǎng)中會(huì)一邊以光速向前飛行，一邊左右擺動(dòng)，同時(shí)向前輻射出光線。電子在飛行途中各處發(fā)射的光會(huì)疊加增強(qiáng)，同時(shí)電子自身輻射的光也在調(diào)制電子自己的空間分布，從而使得電子更加強(qiáng)烈地輻射光線。如果適當(dāng)選擇周期性磁場(chǎng)的強(qiáng)度，就會(huì)使得種子激光中的某個(gè)諧波成分按照前述方式急劇地自激放大并達(dá)到飽和，從而輸出極紫外光。
光源的每一個(gè)激光脈沖可產(chǎn)生超過100萬億個(gè)光子，波長可在極紫外區(qū)域完全連續(xù)可調(diào)，具有完全的相干性。其脈沖長度可以在飛秒（1飛秒等于千萬億分之一秒）和皮秒模式間選擇，還可使用SASE(自放大自發(fā)輻射)或HGHG(高增益諧波放大)模式運(yùn)行。
“大連光源”還采取了一系列先進(jìn)技術(shù)，包括引入雙饋入電子直線加速管、楔形波蕩器技術(shù)等。裝置中90%的儀器設(shè)備均由中國自主研發(fā)，其中由中國自行設(shè)計(jì)和搭建的驅(qū)動(dòng)激光整形系統(tǒng)及其穩(wěn)定性達(dá)到國際先進(jìn)水平。
“大連光源”是由中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所和上海應(yīng)用物理研究所聯(lián)合研制，并得到了國家自然科學(xué)基金委國家重大儀器專項(xiàng)資助，總投資達(dá)1.4億元。項(xiàng)目于2012年初正式啟動(dòng)，2014年10月開工建設(shè)。2016年9月24日22點(diǎn)50分，超過300兆伏能量的高品質(zhì)電子束流依次通過自由電子激光放大器的全部元件，“大連光源”發(fā)出了第一束極紫外光。此后，經(jīng)過3個(gè)多月的調(diào)試，“大連光源”成功發(fā)出了更強(qiáng)光。
自正式開工后，僅在兩年的時(shí)間內(nèi)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)就完成了主要基建工程和主體光源裝置的研制，并且在短時(shí)間內(nèi)調(diào)試產(chǎn)生世界上單脈沖最亮的極紫外光，創(chuàng)造了中國同類大型科學(xué)裝置建設(shè)的新記錄。“大連光源”的建成，也為中國未來發(fā)展更高能量的X射線波段自由電子激光打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
由研制機(jī)構(gòu)根據(jù)需求“定向研制”，可剖析霧霾成因
大科學(xué)裝置是指通過較大規(guī)模投入和工程建設(shè)完成的、建成后需長期穩(wěn)定運(yùn)行和持續(xù)開展科學(xué)技術(shù)活動(dòng)、以實(shí)現(xiàn)重要科學(xué)技術(shù)和公益服務(wù)為目標(biāo)的國家大型基礎(chǔ)設(shè)施。20世紀(jì)上半葉以來，隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，科學(xué)研究的內(nèi)容不斷深化、規(guī)模不斷擴(kuò)大，研究方式和手段不斷趨向微觀化、宏觀化和復(fù)雜化，因此對(duì)其所依賴的實(shí)驗(yàn)條件也有了更高的要求。于是，世界主要發(fā)達(dá)國家開始愈發(fā)重視大科學(xué)裝置建設(shè)。
作為誕生在中國的一項(xiàng)大科學(xué)裝置，“大連光源”不僅是中國第一臺(tái)大型自由電子激光科學(xué)研究用戶裝置，也是當(dāng)今世界上唯一運(yùn)行在極紫外波段的自由電子激光裝置。此前極紫外波段的自由電子激光裝置，多為研究自由電子激光本身，未被用于其它科學(xué)領(lǐng)域。如今，“大連光源”所造出的世界最亮極紫外光束，可被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理、能源、生物、材料和環(huán)境等研究領(lǐng)域。
比如，“大連光源”可幫助剖析霧霾的成因。大氣中的化學(xué)物質(zhì)與水分子作用后會(huì)形成分子團(tuán)簇，正是這些團(tuán)簇在生長過程中吸附大氣中各種污染分子，長成較大的氣溶膠顆粒，并逐漸變?yōu)轹?。利?ldquo;大連光源”極紫外軟電離技術(shù)，通過發(fā)展高靈敏度的單顆粒氣溶膠質(zhì)譜和成核機(jī)理研究裝置，解析大氣化學(xué)中團(tuán)簇的精細(xì)結(jié)構(gòu)，就可以從根本上理清霾的形成機(jī)理，為大氣污染防治提供科學(xué)依據(jù)。
又比如，半導(dǎo)體芯片技術(shù)的快速發(fā)展主要依賴于激光光刻技術(shù)，而高強(qiáng)度的短波長光源是推動(dòng)半導(dǎo)體器件向更小尺寸發(fā)展的關(guān)鍵。“大連光源”可提供最低50納米波長的極紫外光源，可用于下一代EUV光刻技術(shù)的基礎(chǔ)性研究。
對(duì)中國來說，“大連光源”的建成出光是一項(xiàng)具有極高顯示度的重大科技成果，同時(shí)也是中國大科學(xué)工程的實(shí)踐典范。與中國其它同類大型科學(xué)設(shè)備不同的是，“大連光源”是以科學(xué)驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用引領(lǐng)而研制的。也就是說，先由科研專家提出需求，再由研制機(jī)構(gòu)根據(jù)需求“定向研制”，打破了此前先有裝置再找用戶的開發(fā)規(guī)律。
“大連光源”的建設(shè)還開創(chuàng)了中國科研專家與大科學(xué)裝置研制專家成功合作的先例。中科院大連所的長處是科學(xué)研究，上海所則在裝置建設(shè)方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。“大連光源”完美整合了兩家研究所的力量，集各家之長建成，是投入產(chǎn)出比最小、效率最高的一種大科學(xué)裝置建設(shè)方式。
當(dāng)前，“大連光源”的建成只是第一步，未來項(xiàng)目專家們將進(jìn)一步努力把其發(fā)展成為一個(gè)真正意義上的面向全球的高水平實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，助力人類各領(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué)研究向前闊步邁進(jìn)。
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