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揭秘“大连光源”:人类探测微观世界的利器

来源:www.timetimetime.net 时间:2020-04-07 编辑:文学

作者:邱陈晖来源:中国青年报发布日期:2017/1/23 9:53:46

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display“大连光源”:人类探索微观世界的利器

1月15日,辽宁省大连市,中国科学院研制的“大连光源”发布了世界上最强的极紫外无电子激光脉冲 在中国辽东半岛的冬天,海风刺骨。 长兴岛位于沿海城市大连的西侧,由于其被大海包围的人口较少,因此寒冷而荒凉。 但是在这里,一项新的世界纪录刚刚诞生

1月15日,我国最新一代光源“极紫外自由电子激光装置”,即“大连光源”,发出了世界上最强的极紫外自由电子激光脉冲,单皮秒激光脉冲产生140万亿光子,成为全球最亮的波长完全可调的极紫外自由电子激光光源

中国科学院副院长王恩格对这一成就发表了评论,称这是该院乃至中国又一项重大科技成就,展示了极高的水平。 “大连光源”90%的仪器设备是我国自主开发的,这表明我国在该领域处于世界领先地位。

此外,该装置由中国科学院大连化学物理研究所和中国科学院上海应用物理研究所共同开发,为中国科研专家和科研仪器专家之间的成功合作开创了先例。 近日,《中国青年报》的在线记者钟青走进“大连光源”采访相关专家,揭开秘密。

无形的“光”:人类探索微观世界的利器

大连长兴岛,“大连光源”位于100多米长的隧道中 在这里,最常见的是各种闪烁灯光的实验仪器,以及像波士顿常春藤那样沿着架子连接仪器的各种电缆。当然,有各种看不见的“灯”

事实上,人们最容易受到“光”的照射,甚至是手机屏幕和电脑电视屏幕发出的光、白炽灯和霓虹灯、白天的阳光、夜晚的月光以及自然界水母和萤火虫发出的光等。 那么,光的本质是什么?

电磁波 现代物理学已经证明了这一点,并发现光,即“电磁波”,仍然是人类了解和感知物质世界以及探测原子和分子等微观世界的最重要工具。

例如,对于声音和图像,人类可以通过麦克风和摄像机将它们转换成“电信号”,然后进行处理和传输。 同样,对于物质世界中的原子和分子,如果你想“看到”它们,你只需要把它们转换成易于识别和处理的“电信号”。

最直接的方法之一是“冲压”原子或分子中的电子,使原子和分子变成带正电荷的离子。当带正电荷的离子撞击探测器时,将形成一个“电信号”。 这样,科学家可以灵敏地探测或“看见”微观世界。

这里的关键是从原子或分子中“冲出”电子。 然而,并不是所有的“灯”都能做到这一点 “极紫外光”就是其中之一

根据中国科学院大连化学研究所研究员戴徐东的说法,光(电磁波)本身携带能量。波长越短,能量越高。 因此,它分为可见光和不可见光。后者包括紫外光、红外光和x光,它们通常被称为紫外光、红外光和x光

可见光的能量很小 它的波长在400纳米到700纳米之间,可以刺激人类视觉细胞产生信号。

波长小于可见光的紫外光,由于其能量高,会对人体造成伤害,如320 ~ 400 nm和270 ~ 320 nm之间的紫外光

然而,当波长接近100纳米时,光有足够的能量电离一个原子或分子而不破坏分子。科学家称这一波段的光为“极紫外光”。

“大连光源”就是创造这种“光” 一旦被创造出来,它就是人类探索微观世界的利器。

最新一代的光源是“拍电影”,前一代是“拍照”

“大连光源”总经理、中国科学院大连化学研究所副所长杨薛明讲了一个故事:在19世纪末,有人问马在奔跑时是否有四只脚同时离地的时刻。当时,意见不一,因为仅凭肉眼无法判断。 直到有人设计了一套连续拍摄装置,将马的连续奔跑过程“分解”成照片帧,才得出结论。

杨薛明说,研究物质如何变化和运动的最好方法是“记录”这个过程,这样人们就可以“清楚地看到”它。 如今,随着人类对自然认识的加深,科学家们已经知道许多与人类生命密切相关的物理和化学过程本质上是原子和分子过程。

为了控制或利用这些物理和化学过程,杨薛明认为有必要在实验室研究这些过程中所涉及的原子和分子的反应机理。因此,有必要以高灵敏度准确地“检测”所涉及的原子和分子。

事实上,为了“看到”微观世界,人类制造了各种各样的工具。这些工具统称为“光源”。科学中广泛使用的一种光源使用粒子加速器来获得高能粒子。磁体阵列中高能粒子振荡产生的高亮度光称为同步辐射光。

物理学家斯蒂芬霍金曾经说过,粒子加速器是人类拥有的最接近时间机器的设备。 人类能达到的最高温度记录也是在粒子加速器中创造的。

自从20世纪40年代美国在加州大学伯克利分校开发出第一代高能电子束同步加速器以来,高亮度同步辐射源已经成为当代科学研究最重要的实验工具之一。 世界各国相继建立了数十个第三代光源。中国还有北京正负电子对撞机、合肥光源、广东散裂中子源、兰州重离子装置、上海光源等。 合肥光源和上海光源属于第三代光源

大连光源,现已建成,是第四代也是最新一代的光源,即自由电子激光装置。 中国科学院上海应用物理研究所所长赵唐镇表示,这是当今世界上唯一一种在极紫外波段工作的自由电子激光装置,也是世界上最亮的极紫外光源。

那么,第三代同步辐射光源和第四代自由电子激光装置有什么区别?

赵唐镇打了个比方。上一代“拍照”,而最新一代光源“拍电影”。此外,第三代光源只能“看到”微观世界物质的结构,而第四代光源可以记录微观世界物质的动态过程。

杨薛明以烟雾为例。从现有的研究来看,霾是由分子结构聚集而成的一个团簇,包括水、污染物等。当研究烟雾时,科学家不仅应该知道它是什么结构,也就是说,它是由什么组成的,还应该知道这些成分是如何聚集在一起的。这要求科学家不仅要看到静态结构,还要看到动态过程。

例如,当空空气潮湿时,空空气中的霾成分通常会明显增加。为什么会这样?因此,有必要研究其发展过程 因此,杨薛明称之为“大连光源”,第四代光源,一种观察原子和分子反应过程的照相机,在原子和分子层面探索物质世界的奥秘

科学研究专家和科学仪器研究专家首次携手

第四代光源还有另一个特点:它足够明亮

赵唐镇给出了一组比较:与普通家庭使用的白炽灯相比,太阳的亮度是普通家庭的1万倍。与太阳相比,第三代光源亮100亿倍。然后,与第三代光源相比,第四代光源亮100亿倍。 亮度是一个科学概念,也称为峰值亮度,定义为单位时间、单位立体角、单位面积和单位波长范围内发射的光子数。

在这种光源的照射下,几乎所有的原子和分子“无处藏身” 戴徐东说,今天建造的“大连光源”是当今世界上最强的远紫外波段自由电子激光器,因此是研究与原子和分子过程有关的物理和化学科学问题的有力武器。

事实上,在强调越来越多协作创新而不是“孤军奋战”的大科学时代,“大连光源”等重大科学项目已经越来越受到科学界的关注。

今天,大连光源的建成将大大提升中国在能源、化学、物理、生物、材料、大气烟雾和光刻等许多重要领域的研究水平,并在王恩格看来为中国的科技事业注入新的活力。

杨薛明还告诉记者,新仪器的发展是学术研究发展的最重要基础。没有新的科学仪器,可以说物理化学领域很难向前发展。 他还记得当初提出大连光源的原因是科学研究多年来一直受困于检测反应中间体的难题。

当时,他发现赵唐镇和双方一拍即合:这是我们国家创造新一代光源的绝佳机会 更重要的是,双方都意识到,这将是科研专家和科研仪器专家首次携手合作,这对今后加快科研仪器的应用具有重要的现实意义。

不久,“大连光源”得到了国家自然科学基金中国重大国家仪器项目的资助。它于2012年初正式启动,并于2014年10月在大连长兴岛正式开工建设。 仅在两年内,基本建设项目和主要光源装置的开发就完成了。

去年9月24日22时50分,超过300兆伏的电子束依次穿过自由电子激光放大器的每个元件 最后,18米波荡器阵列发射了第一个极端紫外光。

现在,经过调试,大连光源已经可以发出更强的光束 但是科学家不会就此止步。中国科学院大连化学研究所研究员张维庆透露,中国未来有可能进入第四代x光光源。

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