射线光仪

美国劳伦斯伯克利国家实验室新升级的直线加速器相干光源（LCLS）X射线自由电子激光器（XFEL），成功产生了第一束X射线。此次升级的X射线闪光每秒高达100万次，是其前身的8000倍，它改变了科学家探索原子尺度超快现象的能力，这些现象对于从量子材料到清洁能源等广泛应用至关重要，将开创X射线研究的新时代。科学家将能够以前所未有的分辨率检查量子材料的细节，揭示不可预测和转瞬即逝的化学事件，研究生物分子如何发挥生命功能，以最快的时间尺度研究世界，开辟全新的科学研究领域。本文摘自国外相关研究报道，文章内容不代表本网站观点和立场，仅供参考。

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《中国科学报》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。 　　中科院院士范福海是X射线衍射分析的“忠实用户”。他向《中国科学报》记者表示：“有了HXFEL，测定膜蛋白的晶体结构就可能不用再培育所谓的‘优质大单晶’了。” 　　同时，动态X射线结构分析也受到化学家的关注。“HXFEL能以极小的原子尺度、在时间极短的飞秒时段给物质结构‘拍’一张三维‘快照’。”范福海解释。基于此，化学家有望对化学反应过程进行实时动态观测。 　　当然，HXFEL的用户们也为新工具的制造提出了条件。董宇辉指出，在解析单分子结构上，主要的问题在于目前HXFEL的脉冲强度还不够高，离原子分辨率还有一定距离。 　　尽快抢占科技制高点 　　不过，现阶段，我国还没有建设波长更短的HXFEL的计划，只在能量稍弱的紫外和软X射线波段取得进展。 　　在我国科学大装置“上海光源”项目中，上海应用物理研究所技术团队完成“高增益谐波产生自由电子激光放大饱和”实验，使我国成为继美国后世界第二个掌握这项技术的国家。最近，“上海X射线自由激光”项目获批，拟建总长为300米的XFEL装置，最短工作波长为9纳米。中科院上海应物所研究员王东对《中国科学报》记者说：“这些工作为建设HXFEL打下了坚实的基础，我国建HXFEL已没有任何技术障碍。” 　　考虑到在现有客观条件下，HXFEL的立项还将经历较长过程，国际合作成为尽快发展HXFEL的良好模式。最近，中科院与瑞士保罗谢勒研究所共同提议在“瑞士自由电子激光(SwissFEL)”装置上建设一条“中国硬X射线自由电子激光光束站”，预计中方投入经费约1.5亿元人民币。据悉，该方案我国只需用十二分之一的投资便能获得六分之一的使用机时。会议执行主席、中科院物理所研究员、北京凝聚态国家实验室首席科学家丁洪评价说：“更重要的是，这足以使我国几乎与世界同步拥有自己的硬X射线自由电子激光实验平台。” 　　与会专家呼吁，目前，我国应尽快发展HXFEL，以抢占这一领域的科技制高点。

在实验中，科学家将X射线聚焦于一个直径比人类头发丝还要细30倍的小点上，在1万亿分之一秒内将金属箔加热到200万摄氏度。 　　北京时间1月30日消息，据国外媒体报道，美国国家加速器实验室近日利用世界上最强大的X射线激光器--直线加速器相干光源激光器再现恒星内部强大的压力与高温情形。这种激光器的激光能量迸发可超过一个小国家全年的发电总量。 　　在实验中，科学家将X射线聚焦于一个直径比人类头发丝还要细30倍的小点上，在1万亿分之一秒内将金属箔加热到200万摄氏度。金属在如此短的时间内被熔化，其所产生的极度高温和高压状态，通常只有在恒星内部才会出现。 　　英国牛津大学物理系科学家萨姆-文科博士等人参与了直线加速器相干光源激光器实验。文科博士表示，“如果我们要想了解现存恒星内部的情形以及我们太阳系内外巨型行星中心的情形，那么制造高温、高密度的物质非常重要。直线加速器相干光源激光器是一台神奇的机器，我们已经在多个科学领域取得了重大发现，如材料科学、生物学等。” 　　直线加速器相干光源激光器的实验成果近日发表于《自然》杂志之上。直线加速器相干光源长约2公里，可以产生密集的X射线爆发，亮度超过地球上任何光源10亿倍。在高峰时，光脉冲的能量甚至比一些小国家一年的发电总量都要多。