国际率先验证小型“X射线高速相机” 中国科学家新研究登上《自然》封面

霍林郭勒网 刘 欣2021-07-22 10:58:04
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  中新网上海7月22日电 (郑莹莹 孙自法)中国科学院上海光学精密机械研究所的科研人员“十年磨一剑”,在国际上率先完成了“台式化”自由电子激光原理的实验验证,对发展小型化、低成本自由电子激光器具有重大意义,相关研究成果于北京时间7月22日凌晨作为封面文章发表于Nature(《自然》杂志)上。

  项目主要完成人、中国科学院上海光学精密机械研究所研究员王文涛说,可以将X射线自由电子激光比作一台“X射线照相机”,它的快门(即:超快时间分辨)、分辨率(即:超高空间分辨)、曝光量(即:超强峰值亮度)十分先进,可用于探测物质内部动态结构和研究光与原子、分子和凝聚态物质的相互作用过程,极大地促进物理、化学、结构生物学、医学、材料、能源、环境等多学科的发展。

  目前世界上已建好、正在运行的X射线自由电子激光装置仅有8台。由于其规模大,造价昂贵,难以快速普及。

资料图,实验室 中国科学院上海光学精密机械研究所 供图

资料图,实验室 中国科学院上海光学精密机械研究所 供图

  因此,研制小型化、低成本的X射线自由电子激光是重要的发展方向,对于拓展应用和产生变革型技术极其重要。

  王文涛介绍,就如计算机是从大型慢慢演化到台式一样,国际上从2006年就开始自由电子激光的“台式化”研究,中国科学院上海光学精密机械研究所从2012年启动相关项目研究,是中国国内第一家。

  中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室的研究团队通过显著提升激光尾波场加速的电子束品质,并结合创新设计的紧凑型束流传输与辐射系统,在实验上首次实现了基于激光加速器的自由电子激光放大输出,也即在国际上率先完成了“台式化”自由电子激光原理的实验验证。

  中国科学院上海光学精密机械研究所副所长冷雨欣指出,这个研究的核心在于用非常强的光场,产生非常强的电场,这个电场比传统加速器高3至4个数量级,使带电粒子在很短尺度内就能加速到传统加速器加速几公里才能达到的水平,“这件事的难度在于该加速技术面临诸多困难,难以有效控制,这就像踢球一样,有时远、有时近,我们相当于要精确控制踢球的速度和力量。”

  据介绍,“台式化”可以将绵延1公里的大科学装置长度缩短至十几米,缩小了百倍。

  冷雨欣说,目前该突破性进展还属于基础研究验证阶段,离真正工程应用还有一定距离。

  据介绍,未来,该研究团队将进一步提升自由电子激光的输出功率和光子能量,并将其作为上海超强超短激光实验装置(“羲和”激光装置)中的超快化学与大分子动力学研究平台的重要组成部分,提供开放共享。(完)