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能给原子拍片像,德意志联邦共和国自由大学江

时间:2019-05-17 19:04来源:乐百家lo622手机版
6月19日下午,物理与信息工程学院邀请德国自由大学博士,海德堡与普核物理研究所博士后江玉海教授在物理报告厅为师生们做了一场题为“FewVUV-photon induced fragmentation dynamics of atoms

6月19日下午,物理与信息工程学院邀请德国自由大学博士,海德堡与普核物理研究所博士后江玉海教授在物理报告厅为师生们做了一场题为“Few VUV-photon induced fragmentation dynamics of atoms and molecules at FLASH”的学术报告。物理学院相关学科学术带头人,部分教师和学生共100余人参加了此次报告会。报告会由彭玉峰副院长主持。

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日前,由中国科学院大连化学物理研究所和上海应用物理研究所联合研制的极紫外自由电子激光装置——“大连光源”,发出了世界上最强的极紫外自由电子激光脉冲,单个皮秒(1皮秒等于一万亿分之一秒)激光脉冲产生140万亿个光子,这套总长100米的装置成为世界上最亮且波长完全可调的极紫外自由电子激光光源。

江教授以自由电子激光的形成为出发点,讲述了自由电子激光是加速器产生的高能自由电子束通过周期性变化的磁场产生的激光输出,通过改变电子能量、磁场周期和强度可以改变激光波长。自由电子激光的特点是激光波长和脉冲结构,可以根据需要进行设计,能够在大范围内连续调节,有着重要的应用前景。江教授还介绍了海德堡实验室自由电子激光实验装置,利用该实验仪器来研究He原子在光子能量hv=44ev和Ne原子在hv=38 ev处的非次序双光子双电离动力学过程。江教授最后将自己近年来在该领域取得的研究成果用丰富的实验资料向广大师生作了一一展示。

图片为大连光源 摄影 上海应用物理研究所胡蔚成

自由电子激光是国际上最新一代先进光源,也是当今世界发达国家竞相发展的重要方向,在科学研究、国防科技发展中有着重要的应用前景。

此次报告会开阔了广大师生的学术视野,增强了大家对专业知识的了解。

1月15日,由中国科学院大连化学物理研究所和上海应用物理研究所联合研制的“基于可调极紫外相干光源综合实验装置”——大连光源调试出光,输出光脉冲光子数达到140万亿个,成为单脉冲世界上最亮的可调极紫外光源,这意味着我国在极紫外波段自由电子激光的研制方面走在了世界前列。

“大连光源”是我国第一台大型自由电子激光科学研究用户装置,是当今世界上唯一运行在极紫外波段的自由电子激光装置,也是世界上最亮的极紫外光源。它也是继“合肥光源”和“上海光源”之后,我国在该领域的又一次重要探索。极紫外光是什么,这套先进的大科学装置基本原理又是什么,将有哪些应用?

(物理与信息工程学院 宋桂林 刘瑞琼)

“这是中国科学院乃至我国的又一项具有极高显示度的重大科技成果。”中国科学院副院长王恩哥介绍,装置中90%的仪器设备均由我国自主研发,标志着我国在这一领域占据了世界领先地位,为国家未来发展更新一代的高重复频率极紫外自由电子激光打下了坚实的基础。

光源亮、脉冲短,微观世界看得更清楚

大连化物所研究院张未卿告诉记者,大连化物所从2016年9月开始调试及紫外光,调试第一天就有了波荡器出光,说明了设备的安装没有问题,之后要调试的就是极紫外光。

人类已经知道,很多物理和化学过程在本质上都是原子和分子运动的过程。要控制或利用这些过程,需要研究其中涉及的原子和分子的反应机制,也就需要精确且高度灵敏地探测所涉及的原子和分子。

调试的过程很辛苦,也遇到了一些困难。“调试的时候,种子激光和电子束要在空间、时间上都重叠在一起,才会发生作用,但他们的速度是以皮秒(1皮秒

1万亿分之一秒)计算的,所以非常困难。在调试中,还出现过光线被挡住的情况,工作人员要在100米长的机器上逐段排查,找出挡光的原因。”张未卿说,几个月的时间,机器一直不停运转,全体工作人员轮班倒,为了尽快调出所需要的极紫外光源,通宵熬夜工作成了家常便饭。

什么是极紫外光?

近代物理证明,光的本质是电磁波,同时也是粒子,光子本身带有能量,波长越短,光子的能量就越高。可见光的波长大致处于400~700纳米之间(1纳米等于10亿分之一米),其光子能量可以刺激人的视觉细胞产生信号,而波长小于可见光的紫外光因为光子能量高,就会对人体产生危害,比如UVA(320~ 400纳米)和UVB(270 ~ 320纳米)紫外光。而当波长短到100纳米附近时,一个光子所具备的能量就足以电离一个原子或分子而又不会把分子打碎,这个波段的光称为极紫外光。

由于在科学实验中,需要探测的原子或分子数量可能非常少,存在时间也非常短,普通的极紫外光源无法满足这个需求,必须要有高亮度的极紫外光源,即极紫外激光。

极紫外光能够电离几乎所有的组成普通物质的原子和分子的特性使得它无法在普通物质中传播,只能在真空中传播,所以极紫外光也称为真空紫外光。因此,极紫外激光无法在普通物质中产生和放大,只能在“特殊物质”中产生,这个“特殊物质”就是脱离原子核而单独存在的自由状态的电子。

据介绍,大连光源是当今世界上唯一工作在极紫外波段的自由电子激光用户装置,大连光源也将成为当今世界上在极紫外波段最强的自由电子激光。

如何输出极紫外光?

自19世纪以来,电和电磁波就成为人类认识和感知物质世界的最重要的媒介和手段,比如通过麦克风把声音转换成电信号,再进行处理和传输。人类研究原子和分子的反应机制,最直接的方法也是将其变成易于识别和处理的电信号。其过程是把原子或分子中的电子“打”出来,可以得到原子分子以及物质的结构和动态信息,进而在微观层次上探索物质世界的奥秘。

根据电动力学原理,加速运动的电子会向外辐射电磁波,尤其是来回变向跑动的电子辐射电磁波能力非常强。常用的无线信号,无论是电视还是手机,都是通过驱使电子在天线里来回振荡发射电磁波。在大连极紫外相干光源中,时间宽度为几个皮秒(1皮秒

1万亿分之一秒)的脉冲激光在光阴极上打出一簇高密度的脉冲电子,利用直线加速器将这个脉冲电子束加速到3亿电子伏特的能量(这相当于让电子穿越3亿伏的超高压电场)。这时,由于相对论效应,电子的速度与光速非常接近。再用另一束皮秒或者亚皮秒时间宽度的强激光照射在这个高能电子束上,电子束中的电子在种子激光的电磁场的作用下,就会按照激光的波长在空间重新分布,其中含有丰富的谐波成分。然后让空间分布被调制的电子束继续穿越一系列周期性变化的磁场。

根据电磁学原理,电子在周期性磁场中会一边以光速向前飞行,一边左右摆动,这样电子就会向前辐射出光线。由于电子飞行的速度和光速非常接近,电子在飞行途中各处发射的光会叠加增强,同时电子自身辐射的光也在调制电子自己的空间分布,从而使得电子更加强烈地辐射光线。如果适当地选择周期性磁场的强度,就会使得种子激光中的某个谐波成分按照前述方式急剧地自激放大并达到饱和,从而输出极紫外光。

极紫外光让原子分子“无处遁形”

很多物理和化学过程在本质上都是原子和分子过程,比如臭氧层空洞的形成涉及到大气上层臭氧分子的淬灭机制,雾霾的形成涉及到污染物分子聚集过程,燃烧过程涉及到氧原子或氧分子与其它分子的反应等一系列过程。要控制或利用这些物理和化学过程,就需要在实验室里研究这些过程所涉及到的原子和分子的反应机制,因此就需要精确并且高灵敏度地探测所涉及到原子和分子。

在极紫外光照射下的区域内,几乎所有的原子和分子都“无处遁形”。比如雾霾,大气中的化学物质与水分子作用后,形成分子团簇,这些团簇在生长过程中吸附大气中各种污染分子以及水分子,生长为较大的气溶胶颗粒,并逐渐成长为雾霾。大连光源能够解析大气化学中性团簇的精细结构,揭示大气中气溶胶的成核动力学机制。

世界上90%的能源来自于燃烧,高效利用能源以及减少污染排放是重要的世界性问题。极紫外光可利用单光子电离的方法灵敏探测燃烧中间反应步骤和中间体的理想光源,为阐明燃烧过程中的化学机理提供坚实的基础。

王恩哥说,当今世界,大科学工程对于科技的发展起着越来越重要的推动作用。“大连光源”的建成出光,成为我国大科学工程的又一成功范例,也必将大大促进我国在能源、化学、物理、生物、材料、大气雾霾、光刻等多个重要领域研究水平的提升,为我国的科技事业注入了新的活力。

大连化物所副所长杨学明希望,大连光源能够推动技术研究的发展,用电子极紫外光源来推动分子科学,以及化学、能源等相关领域的发展。

近代物理已经证明,光具有波粒二象性,既是电磁波,同时也是粒子。光子本身带有能量,波长越短,光子的能量就越高。而当光的波长短到约100纳米时,一个光子所具备的能量就足以电离一个原子或分子而又不会把它们打碎,这个波段的光称为极紫外光。但是由于在科学实验中,需要探测的原子或分子数量可能非常少,存在时间也非常短,普通的极紫外光源无法满足这一需求,因此必须要有高亮度的极紫外光源,即极紫外激光。“光源亮,微观世界可以看得更清楚;脉冲短,我们可以看到分子和原子在物理和化学变化中超快的过程。”中科院大连化学物理研究所副所长杨学明院士说。

最亮的“闪光灯”、最快的“快门”,能让分子、原子“无处遁形”

极紫外激光能电离几乎所有组成普通物质的原子和分子,因此,极紫外激光也无法在普通物质中产生和放大,只能在“特殊物质”中产生,这个“特殊物质”就是脱离原子核而单独存在的自由状态的电子。

根据电动力学原理,加速运动的电子会向外辐射电磁波,振荡的电子辐射电磁波能力非常强。常用的无线信号,无论是电视还是手机,都是通过驱使电子在天线里来回振荡发射电磁波。

“大连光源”由加速器、波荡器和光束线站三部分构成。先由时间宽度为几个皮秒的脉冲激光在光阴极上打出一簇高密度的脉冲电子,再利用直线加速器将这个脉冲电子束加速到3亿电子伏特的能量,电子的速度与光速非常接近。另一束皮秒或者相近时间宽度的强激光照射在这个高能电子束上,电子束中的电子在种子激光的作用下,就会按照激光的波长在空间重新分布,然后让被调制的电子束继续穿越一系列周期性变化的磁场。电子在周期性磁场中就会一边以光速向前飞行,一边左右摆动,向前辐射出光线。途中各处发射的光会叠加增强,同时电子自身辐射的光也在调制电子自己的空间分布,从而使得电子更加强烈地辐射光线,适当地选择周期性磁场的强度,就会使得种子激光中的某个谐波成分按照前述方式急剧地自激放大并达到饱和,从而输出极紫外激光。

“‘大连光源’有最亮的‘闪光灯’,峰值功率的亮度比太阳光高100亿倍的100亿倍,有最快的‘快门’,出光长度能达到飞秒(1飞秒等于一千亿分之一秒)、皮秒,不但能让分子、原子‘无处遁形’,还能给它们‘拍电影’,将物理化学反应的全过程动态记录下来。”上海应用物理研究所所长赵振堂用一连串的比喻来说明“大连光源”的大用场。

应用广泛,有助于理解雾霾形成的机理

“大连光源”采取了一系列先进技术,包括引入双馈入电子直线加速管、楔形波荡器技术等,自行设计和搭建的驱动激光的整形系统及其稳定性达到了国际先进水平。项目在两年的时间里完成了基建工程以及主体光源装置的研制,3个月内调试成功,创造了我国同类大型科学装置建设的新纪录。中国科学院副院长王恩哥院士认为,“‘大连光源’建成出光,成为我国大科学工程的又一成功范例,将为我国的科技事业注入新的活力。”

“作为一套真正的用户装置,‘大连光源’将成为一个面向全世界的研究平台。”杨学明表示。建成以后,“大连光源”将成为当今世界上在极紫外波段最强的自由电子激光,因此是研究与原子分子过程相关的物理和化学科学问题的利器。“大连光源”综合实验装置还以极紫外相干光源为依托,配套研制了一系列具有国际先进水平的,用于研究与燃烧、大气以及洁净能源相关的物理化学过程的实验站,使得该装置成为相关研究领域的在国际上不可替代的研究平台。

据了解,“大连光源”在燃烧化学、极紫外光光刻、生物分子结构及动力学、大气雾霾化学等领域应用广泛。“以大气雾霾为例,大气中的化学物质与水分子作用后,形成分子团簇,这些团簇在生长过程中吸附各种污染物分子,生长为较大的气溶胶颗粒,并逐渐成长为雾霾。利用‘大连光源’的极紫外软电离技术,就可以研究雾霾的生长过程,从根本上理解雾霾形成的机理,为大气污染防治提供科学依据。”大连化学物理研究所研究员张未卿表示。

延伸阅读

合肥光源

1983年4月,中科大国家同步辐射实验室正式立项,建设我国第一台专用同步辐射光源,被称为“合肥光源”。1989年合肥光源建成,并发出中国第一束“神奇之光”。利用“合肥光源”,我国首次完成探月卫星“嫦娥一号”太阳风离子探测器正机的实验标定和测试,首次获得了X射线全息图样等。

上海光源

1999年,“上海光源”项目预研工作正式启动,2009年建成投入运行。

“上海光源”其实就相当于一台巨型的“超级显微镜”,它可以给微观世界,例如花草树木的呼吸过程、人体蛋白质分子活动等,拍摄高清晰度的科学照片。“上海光源”建成后,出光的稳定性始终保持良好,为中国科学家进一步扩宽了探索视界。

(原载于《人民日报》 2017-01-17 12版)

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