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大科学装置“瘦身”成功
2022-08-01 记者 董雪 上海报道 来源: 天富平台登录入口

  如果有一台神奇相机,快门速度快到以飞秒计算(1秒=10的15次方飞秒),分辨率清晰到0.1纳米,并且具有充足的曝光亮度,那么用它拍出的照片会是什么样的?

  答案:它能清楚地拍下水分子,能看到化学键的断裂,甚至能记录电子的运动。

  在现实中,这种性能强大的“相机”是最先进的一类大科学装置——X射线自由电子激光装置,全球已建成8台,包括位于上海张江的软X射线自由电子激光装置。

  不过,它们都是长度在数百米至数公里的“大家伙”,为了实现普及,国际上一直在努力让该装置小型化。近日,记者采访到率先完成台式化自由电子激光原理验证的中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室团队,相关成果2021年以封面形式发表在《自然》杂志,并在今年入选2021中国光学十大进展。

  从构造看,自由电子激光装置由加速器和波荡器两部分组成。简单说,就是先让电子在加速器里加速到接近光速,然后进入波荡器,在波荡器内做周期运动辐射出光。

  “不论是从尺寸上,还是从关键技术上,加速器都更核心,也是缩小的主要目标。”团队研究员王文涛说,自诺贝尔物理学奖诞生以来,一半以上的获奖与加速器和辐射源的应用相关。

  传统方案是在加速器两端加高压,对低能电子进行加速。由于不能无限制加高压来提升加速梯度,为了获得高能,加速距离往往长到以公里计。直到2004年,被学界称为“梦之束”的激光尾波场电子加速横空出世,美法英等国科学家在实验中取得激光尾波场电子加速突破,让加速器具备了短到厘米量级的可能性。

  “激光尾波场电子加速”可以形象地想象成电子在激光尾波中“冲浪”。王文涛用一项水上运动“尾波冲浪”打比方:运动员踏着帆板跟在快艇后,利用快艇排开水面形成的波浪冲浪,因为波浪速度与船速一致,运动员也会以接近船速的速度前进。

  有趣的是,强激光在气体中也能激发这种“波浪”,被捕获的电子像运动员一样随着激光往前跑,在非常短的距离内接近光速。

  “我们2012年立项,同美法德日等国展开研制台式化自由电子激光的竞争。”王文涛说。

  背靠中科院上海光机所在超强激光领域的技术优势和实验便利,团队在2018年成功研制稳定台式化激光电子加速器,标志我国在台式化电子加速领域实现从实验到仪器最为关键的转变。

  2021年,团队在实验上基于激光电子加速器获得极紫外波段的自发辐射放大输出,是国际上首次基于这种新型加速器实现小型化自由电子激光的原理验证。《自然》杂志以封面形式发表该成果,评论称:“该成果是激光尾波场领域自2004年‘梦之束’报道以来的又一里程碑式的成果,将对同行科研人员产生重大影响,是一项重大的突破。”

  总长度18米,其中加速器不足2米,团队目前成功将一个典型的自由电子激光结构缩小到1/20。

  “它的特点就是台式化,成本更低,易于推广和普及,在更多研究领域发挥它作为最先进的工具的使命。”王文涛表示,目前,这一技术毕竟才发展了不到20年,它的性能与传统的大科学装置软X射线自由电子激光装置和硬X射线自由电子激光装置相比还有不小的差距,还有很长的路要走。

  这一系列成果证明激光尾波场电子加速是可以用来做自由电子激光的,也使得小型化的电子加速器研究受到更多关注,或许会有更多大装置逐渐变小,应用到医院、学校等更多的科学研究领域。

  记者采访了解到,该装置作为国家重大仪器专项的建设内容,目前已经开放运行了,北京航空航天大学、中国工程物理研究院等单位也依托该装置开展合作研究。“近期,主要是装置性能的进一步优化,专注于驱动光源稳定性和电子品质优化,包括我们想把波长从极紫外波段推进到X射线波段,从而拓展装置的应用领域,再做大规模的开放运行。”王文涛说。

  另外,团队也在尝试继续缩小装置的尺寸,比如未来可以通过束流压缩技术进一步提升流强,将波荡器辐射段的尺寸从现在的10米缩短到2米。

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