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期待激光与X射线的完美结合

导读: 在人类科技史上,激光和X射线都是物理学上伟大的发明和发现。激光源自物质“受激”辐射,具有亮度高、准直性和相干性好等特点,但一般处于红外线和可见光波段。

  在人类科技史上,激光和X射线都是物理学上伟大的发明和发现。激光源自物质“受激”辐射,具有亮度高、准直性和相干性好等特点,但一般处于红外线和可见光波段。而来自于高速电子强烈加速或撞击的X射线,特别是硬X射线,具有很高的能量和原子尺度的波长,其穿透力和分辨率都大大增强,但准直性和相干性远不如激光。

  能不能将这两种高性能的光结合起来呢?近日,香山科学会议以“硬X射线自由电子激光的现状与对策”为题召开了第432次讨论会。与会专家一致认为,硬X射线自由电子激光(HXFEL)将在更广范围、更深层次并以更高的效率给结构生物学、凝聚态物理、超快化学、能源材料等领域带来革新。

  无法比拟的优势

  会议执行主席、中科院院士陈佳洱介绍,随着加速器技术的发展,自由电子激光在高平均功率及短波长方面取得了巨大进展。

  而在所有波段的X射线自由电子激光(XFEL)中,能量最高的硬X射线自由电子激光受到格外关注。2009年4月,世界上第一个HXFEL装置在美国SLAC国家加速器实验室诞生,最短工作波长达到0.15纳米,标志着X光光源已经开始更新换代。

  中科院上海应用物理研究所所长赵振堂向记者介绍:“和上一代光源相比,HXFEL具有卓越的先进性能,可谓更高、更快、更强了。”

  首先,HXFEL具有超高的峰值亮度,比上一代光源高出10亿倍左右。其次,脉冲宽度是上一代光源的万分之一,这意味着激光脉冲速度快、功率高,能达到更高的时间精度。再次,HXFEL中光子相位一致,如同一支训练有素的部队,具有极强的“战斗力”,这被物理学家称为“全相干”。激光专家、英国伦敦帝国理工学院教授约翰·蒂施曾评价:“HXFEL具有其他任何光源都无法比拟的优势。”

  期待“新科学”产生

  纵观多年诺贝尔奖会发现,历史上已有20次诺贝尔奖颁给了和X射线研究相关的科学家,10次颁给了与激光有关的研究。当激光遇上X射线,各领域科学家们都期待革命性的“新科学”产生。

  中科院高能物理所研究员董宇辉表示:“HXFEL是蛋白质结构解析研究人员梦寐以求的技术。”目前,解析蛋白质结构的困难之一便是生长大尺寸、高质量的单晶。HXFEL对纳米尺度的晶体开展测量会给膜蛋白、蛋白质复合物结构提供极大便利。

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