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“鹦鹉螺”旁崛起第四代光源--X射线自由电子激光试验装置

2016-06-07 09:23
九一隐士
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  在全国科技创新大会、两院院士大会、中国科协第九次全国代表大会上,习近平总书记指出,中国要成为世界科技强国,成为世界主要科学中心和创新高地,必须拥有一批世界一流科研机构、研究型大学、创新型企业,能够持续涌现一批重大原创性科学成果。

  提出更多原创理论,作出更多原创发现,力争在重要科技领域实现跨越发展,大科学装置是参与国际科技前沿竞争不可或缺的利器。上海正在努力建设具有全球影响力的科技创新中心,近期又获批建设上海张江综合性国家科学中心。在张江这片科学家、企业家云集的土地上,上海光源、蛋白质科学设施等大科学装置的投入使用,为提升中国的科研实力做出了重大贡献,也为上海营造起了良好的科研生态。如今,软X射线自由电子激光、海底长期观测网、高效低碳燃气轮机试验装置等又一批重大科技基础设施,即将崭露头角。它们无不显示出上海冲击科技前沿,锻造全球影响力的信心和勇气。

  我们将深入探访这一系列大科学装置,将其探索科技前沿、突破创新障碍的感人点滴,带给读者。

  历时一年半,我国首台第四代光源———X射线自由电子激光试验装置已结束土建和公用设施工程,即将进行设备安装,并计划于今年年底调束出光,2018年正式投入使用。从中科院上海应用物理研究所获悉,这个自由电子激光设施与同步辐射光源形成的组合,将极大地提升我国科学家洞悉物质内部结构的能力。

  中科院上海应用物理研究所所长赵振堂介绍,作为新一代光源,X射线自由电子激光的峰值亮度比第三代同步辐射光源高10亿-100亿倍;脉冲长度可达到飞秒量级(1秒的1000万亿分之一),比第三代同步辐射光快1000倍;而且,它的相干性更好,“由于其光脉冲极短,它可以为分子拍电影,而第三代光源只能为分子拍照片。”

  X射线自由电子激光的出现,为物理、化学、生物、材料等学科前沿研究开辟了全新的领域,成为实现科学突破与技术创新的研究利器。

  迄今为止,利用这种新一代光源,人类已解决了多项重大科学难题,如实现了对原子样本上单个电子的操控,并从内到外将电子逐个剥离,开辟了非线性X射线科学的新时代;实现了化学反应中对化学键断裂和成键过程的实时观测;实现了决定布氏锥虫(导致非洲昏睡病)存亡的关键酶的蛋白晶体结构解析;成功解析了视紫红质与阻遏蛋白复合物的晶体结构等。

  上海X射线自由电子激光装置与“鹦鹉螺”上海光源,最近处只相隔几十米。其实,“同步辐射光源+X射线自由电子激光”,正是光子科学平台发展的最新方向,目前全球已有6个这样的组合,分别位于德国、美国、日本、韩国、瑞士和意大利。而在张江,这一光源组合正在崛起。赵振堂说,第三、第四代光源共同组建的大科学平台,能够为科学家提供更先进、丰富的综合实验手段。

  正在建设中的新一代光源是试验装置、用户装置与活细胞研究平台的集成。该所自由电子激光部主任王东介绍,新光源的建筑总长550米左右,试验装置长300米。刚竣工的加速器隧道,宽约6米,未来可并行安放两台直线加速器。

  “这是一个软X射线自由电子激光装置,将在生物、化学、材料等领域发挥重大作用。”他说,在此基础上,还可以建设硬X射线自由电子激光。

  赵振堂表示,等到硬X射线波段自由电子激光装置建成,我国的光源组合将与美国、德国和日本等并驾齐驱。

  得益于上海光源积累下的人才、技术,以及与企业的紧密合作,新一代光源的关键设备绝大部分在国内制造。王东介绍,即将安装的加速器、波荡器,除了速调管还需进口外,其他主要部件都实现了国产化。

  据悉,在试验装置后端,250米长的波荡器大厅和实验大厅也将投入建设。在实验大厅,自由电子激光将被分成不同的光束,满足不同科学实验的需求。

  在建的软X射线自由电子激光会覆盖两个重要波段:“水窗”(波长2.3-4.4纳米)和“磁窗”(波长1-2纳米)。在“水窗”波段,可以在很好的对比度下观测活体细胞和生物样品,进而对生物活体细胞进行三维全息成像和显微成像———这是生命科学研究中前所未有的装备。而在“磁窗”波段,存在大量磁性材料原子共振吸收边,对研究超快物理、化学过程、大容量磁光存储器件具有重要作用。
 

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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