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硬X射线自由电子激光装置:能给分子拍电影

2018-01-22 15:48
激光之家
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最近,作为《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》优先布局的、我国迄今为止投资最大的重大科技基础设施项目———硬X射线自由电子激光装置( XFEL)获批启动。这种装置因为能帮助科学家看清原子乃至电子尺度上的微观世界,被英国《自然》杂志称为科学家的“高速摄像机”。

由于原子、电子运动得实在太快了,人类至今从未看清过它们是怎样运动的。XFEL可以捕捉微观世界的瞬时图像,并可慢速回放,让科学家弄清其中的奥秘,因而成为各国争相研制的一大科研利器。

我国迄今为止投资最大的重大科技基础设施项目———硬X射线自由电子激光装置(XFEL)最近获批启动。选址上海张江综合性国家科学中心核心区域,这个总长3.1公里的装置,将建设埋深约30米的地下隧道,沿浦东新区罗山路,一直延伸到上海科技大学园区。

早在2009年,美国就建成了世界上第一条XFEL。近年来,日本、瑞士、韩国都在加紧研制这一科研利器。去年9月,欧洲12国共同投资12亿欧元、建在德国汉堡附近的欧洲XFEL开始进行首批实验。

硬X射线自由电子激光装置所提供的X射线,峰值亮度比第三代同步辐射光源可以高出上万倍,能帮助科学家看清原子,乃至电子尺度上的微观世界,可将对微观世界的研究从拍“分子照片”提升到拍“分子电影”的水平,因而成为全世界科学家追逐的热门。英国《自然》杂志将这种装置称为科学家的“高速摄像机”。

比普通X光亮上亿倍具备超快时间分辨力

高速运动的电子在受磁场影响发生偏转时,会沿切线方向释放同步辐射光,这种光比普通X光强上万倍。而X射线自由电子激光则比同步辐射光更强,这种光是高能电子在受磁场作用,发生扭摆的时候,在前进方向上放出的激光。

X射线自由电子激光根据能量和波长的不同,分为软、硬X射线两种,后者亮度更高,比同步辐射光还要高出上万倍,其波长可达到几个纳米(10米)。

与同步辐射光相比,X射线自由电子激光具有更高的亮度、更短的脉冲结构和更好的相干性。同步辐射光所能看到的是分子层面的结构,而硬X射线自由电子激光则能看清原子级别的结构。这有什么不同?如果说,同步辐射光可以看清一幢大楼的表面,那么硬X射线自由电子激光则可以看清每个窗户里发生的事情。

显然,XFEL可以帮助科学家看清以前从未看到过的微观世界,一些科学猜测也许就此解开谜团。尽管现有的XFEL性能还有不少提升空间,但科学家已经利用这种超强光源,得到了一些新发现。例如,中国科学院上海药物研究所徐华强研究员领衔的国际交叉团队经过联合攻关,利用美国斯坦福直线加速器中心(SLAC)国家加速器实验室的XFEL,成功解析了磷酸化视紫红质与阻遏蛋白复合物的晶体结构,攻克了细胞信号传导领域的重大科学难题。随着数据分析方法的提升和改进,他用同一套数据,先后有了两次重大发现,论文均发表在美国《细胞》杂志上。这也从一个侧面说明,XFEL将为科学发现带来极具价值的研究数据。

近十年来,全球科学家都在追求这种激光,不断提升其性能,希望借此推动人类对自然界的认识更加深入。就在去年9月,欧洲12国共同投资的XFEL在德国汉堡附近开始进行首批实验,其能量高达17.5GeV(109电子伏特),每秒可发射2.7万个脉冲。美国2009年建成的XFEL能量达到14.5GeV,现在又开始建设其升级版,虽然能量指标为4GeV,但其每秒可发射100万个脉冲,是目前装置的1万倍。我国新启动的XFEL能量为8GeV,可以产生品质非常高的光子,它还将同时具备纳米级的超高空间分辨能力,以及飞秒(10秒)级的超快时间分辨能力。

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