又一項(xiàng)“世界之最”的科學(xué)工程在中國(guó)誕生了。
日前,由中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所(下稱大連化物所)和上海應(yīng)用物理研究所(下稱上海應(yīng)物所)聯(lián)合研制的極紫外自由電子激光裝置——“大連光源”,發(fā)出了世界上最強(qiáng)的極紫外自由電子激光脈沖,單個(gè)皮秒激光脈沖包含了140萬億個(gè)光子。
從去年9月底安裝完成首次出光之后,經(jīng)過3個(gè)多月的調(diào)試后,總長(zhǎng)100米的大連光源終于成為了世界上最亮且波長(zhǎng)完全可調(diào)的極紫外自由電子激光光源。那么這臺(tái)自由電子激光裝置是干什么用的?它為什么能產(chǎn)生如此的強(qiáng)光?
獨(dú)門絕技
能讓分子原子“無處遁形”
“隨著人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)不斷深入,我們已經(jīng)知道與人類生活息息相關(guān)的很多物理和化學(xué)過程在本質(zhì)上都是原子和分子過程?!敝锌圃捍筮B化物所分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員戴東旭舉例說,比如臭氧層空洞的形成涉及到大氣上層臭氧分子(O3)的淬滅機(jī)制,霧霾的形成涉及到污染物分子(SO2、CO等)聚集過程,燃燒過程涉及到氧原子或氧分子與其他分子的反應(yīng)等一系列過程。要控制或利用這些物理和化學(xué)過程,我們就需要在實(shí)驗(yàn)室里研究這些過程所涉及到的原子和分子的反應(yīng)機(jī)制,因此就需要精確并且高靈敏度地探測(cè)所涉及到的原子和分子。
自由電子激光光源提供了高亮度的光源,能夠用來精確并且高靈敏度地探測(cè)原子和分子。
近代物理證明,光的本質(zhì)是電磁波,同時(shí)也是粒子,光子本身帶有能量,波長(zhǎng)越短,光子的能量就越高??梢姽獾牟ㄩL(zhǎng)大致處于400—700納米之間(1納米等于10億分之一米),其光子能量可以刺激人的視覺細(xì)胞產(chǎn)生信號(hào),而波長(zhǎng)小于可見光的紫外光因?yàn)楣庾幽芰扛?,就?huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害,比如UVA(320—400納米)和UVB(270—320納米)紫外光。而當(dāng)波長(zhǎng)短到100納米左右時(shí),一個(gè)光子所具備的能量就足以電離一個(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。
不僅能拍照,還能“拍電影”
“由于在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中,需要探測(cè)的原子或分子數(shù)量可能非常少,存在時(shí)間也非常短,普通的極紫外光源無法滿足這個(gè)需求,必須要有高亮度的極紫外光源,即極紫外激光。”戴東旭說,極紫外光具有的能夠電離幾乎所有的組成普通物質(zhì)的原子和分子的特性,使得它無法在普通物質(zhì)(包括空氣)中傳播,只能在真空中傳播,所以極紫外光也稱為真空紫外光。因此,極紫外激光無法在普通物質(zhì)中產(chǎn)生和放大,只能在“特殊物質(zhì)”中產(chǎn)生,這個(gè)“特殊物質(zhì)”就是脫離原子核而單獨(dú)存在的自由狀態(tài)的電子。
中科院上海應(yīng)物所所長(zhǎng)趙振堂研究員說,第三代光源,比如上海光源,其峰值亮度相當(dāng)于太陽光的百億倍。而大連光源屬于第四代光源,其峰值亮度相當(dāng)于第三代光源的百億倍。與以前我國(guó)研制的光源相比,大連光源不僅能夠像以前的光源那樣給分子原子拍照片,而且能給分子原子“拍電影”。它是一個(gè)動(dòng)態(tài)的研究工具,能解決分子動(dòng)力學(xué)的許多問題。
大連光源的光子能量并不是最高的,但對(duì)研究分子、原子化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)來說卻是最合適的——它有極紫外波段最亮的“閃光燈”,有超快的“快門”,其出光脈沖長(zhǎng)度能達(dá)到飛秒和皮秒量級(jí)。
大連光源是我國(guó)第一臺(tái)大型自由電子激光科學(xué)研究用戶裝置(而非樣機(jī)),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,也是世界上最亮的極紫外光源。
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
可用于下一代EUV光刻技術(shù)
自由電子激光是國(guó)際上最先進(jìn)的新一代光源,也是當(dāng)今世界發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相發(fā)展的重要方向,在科學(xué)研究、先進(jìn)技術(shù)、國(guó)防科技發(fā)展中有著重要的應(yīng)用前景。先進(jìn)自由電子激光的發(fā)展在前沿科學(xué)研究中發(fā)揮著越來越重要的作用,特別是近10年來,自由電子激光技術(shù)的發(fā)展和突破為探索未知物質(zhì)世界、發(fā)現(xiàn)新科學(xué)規(guī)律、實(shí)現(xiàn)技術(shù)變革提供了前所未有的研究工具。
“我們希望大連光源這臺(tái)自由電子激光裝置能夠推動(dòng)我國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究的發(fā)展,推動(dòng)我國(guó)分子科學(xué)、化學(xué)、能源等學(xué)科和技術(shù)的進(jìn)步。”大連化物所副所長(zhǎng)楊學(xué)明院士表示。
近幾十年來,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(zhǎng)光源是推動(dòng)半導(dǎo)體器件向更小尺寸發(fā)展的關(guān)鍵。大連光源能夠提供最低50納米波長(zhǎng)的極紫外光源,可以用于下一代EUV光刻技術(shù)的基礎(chǔ)性研究。
助力潔凈能源與大氣機(jī)理研究
“能源是制約我國(guó)未來發(fā)展的最為重要的因素之一。要解決我國(guó)未來的能源問題,我們一方面要更加有效地利用現(xiàn)在已有的能源;另一方面也要發(fā)展新的潔凈能源。”中科院大連化物所張未卿研究員說,要達(dá)到這兩個(gè)重要的目標(biāo),與能源相關(guān)的物理化學(xué)基礎(chǔ)研究是非常關(guān)鍵和重要的研究領(lǐng)域。
當(dāng)今世界90%的能源需求都是由燃燒提供的,隨之而來的就是產(chǎn)生了大量的污染??茖W(xué)家需要對(duì)燃燒化學(xué)的反應(yīng)機(jī)理做深入研究,進(jìn)而為提升燃燒效率減少污染提供理論支撐。提高燃燒效率是燃燒化學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容,并且也是提高能源利用效率和降低環(huán)境污染的根本要求。
這個(gè)冬天肆虐全國(guó)多個(gè)地區(qū)的霧霾成了全社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。嚴(yán)重的霾天天氣從華北逐步漫延到西北東部和華中地帶,給人民群眾的健康帶來了極大的危害?,F(xiàn)在科學(xué)家對(duì)于霾的成因有了一定的認(rèn)識(shí),主要是燃燒排放、汽車尾氣排放等。但霾在空氣中形成的過程中,還會(huì)有光化學(xué)反應(yīng)等。目前對(duì)它的形成機(jī)理科學(xué)家們還沒有完全搞清楚。
利用大連光源,有助于科學(xué)家對(duì)霾的研究。大氣中的化學(xué)物質(zhì)與水分子作用后,形成分子團(tuán)簇,這些團(tuán)簇在生長(zhǎng)過程中吸附大氣中各種污染分子,生長(zhǎng)為較大的氣溶膠顆粒,并逐漸成長(zhǎng)為霾。利用大連光源極紫外軟電離技術(shù),就可以研究霾的生長(zhǎng)過程,從根本上理解霾形成的機(jī)理,為大氣污染防治提供科學(xué)依據(jù)。
戴東旭研究員說,科學(xué)家在研制大連光源的同時(shí),還配套研制了一系列具有國(guó)際先進(jìn)水平的,用于研究與燃燒、大氣以及潔凈能源相關(guān)的物理化學(xué)過程的實(shí)驗(yàn)站,從而使得大連光源綜合實(shí)驗(yàn)裝置成為一個(gè)在相關(guān)研究領(lǐng)域、在國(guó)際上獨(dú)具特色的、不可替代的研究平臺(tái)。
定向研制
用戶需求驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目“上馬”
大連光源項(xiàng)目是國(guó)家自然科學(xué)基金委國(guó)家重大儀器專項(xiàng)資助的第一個(gè)經(jīng)費(fèi)過億的項(xiàng)目。
與北京譜儀、上海光源等大型科學(xué)設(shè)備不同的是,大連光源是以科學(xué)目標(biāo)為驅(qū)動(dòng)而研制的。就是由科學(xué)家團(tuán)隊(duì)(主要是大連化物所楊學(xué)明院士團(tuán)隊(duì))提出需要,由上海應(yīng)物所按照科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的需要而“定向研制”的。而以前的這類光源裝置基本都是先建好裝置,然后再去尋找用戶,看它能為誰的研究提供服務(wù)。
上海應(yīng)物所所長(zhǎng)趙振堂認(rèn)為,打破研究所之間的藩籬,整合研究所的力量,集各家之長(zhǎng)來建大科學(xué)裝置,是投入產(chǎn)出比最小、效率最高的一種方式。
對(duì)于大連光源,中國(guó)科學(xué)院副院長(zhǎng)王恩哥給予了極高的評(píng)價(jià):“大連光源是中科院乃至我國(guó)的又一項(xiàng)具有極高顯示度的重大科技成果。裝置中90%的儀器設(shè)備均由我國(guó)自主研發(fā),標(biāo)志著我國(guó)在這一領(lǐng)域占據(jù)了世界領(lǐng)先地位,為我國(guó)未來發(fā)展更新一代的高重復(fù)頻率極紫外自由電子激光打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?!?/p>
相關(guān)鏈接
大連光源的那些“前輩”們
合肥光源
1983年4月,中科大國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室正式立項(xiàng),建設(shè)我國(guó)第一臺(tái)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(fā)出中國(guó)第一束“神奇之光”。利用“合肥光源”,我國(guó)首次完成探月衛(wèi)星“嫦娥一號(hào)”太陽風(fēng)離子探測(cè)器正機(jī)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定和測(cè)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(xiàng)目預(yù)研工作正式啟動(dòng),2009年建成投入運(yùn)行。“上海光源”其實(shí)就相當(dāng)于一臺(tái)巨型的“超級(jí)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(zhì)分子活動(dòng)等,拍攝高清晰度的科學(xué)照片?!吧虾9庠础苯ǔ珊螅龉獾姆€(wěn)定性始終保持良好,為中國(guó)科學(xué)家進(jìn)一步拓寬了探索視界。
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