圖① “大連光源”直線加速器前端，該部分能夠產生并初步加速電子。
圖② “大連光源”電子直線加速器部分。
圖③ “大連光源”匹配段部分，用于連接加速器和波蕩器。
經濟日報記者 李芃達攝
日前，由中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱“大連化物所”）和上海應用物理研究所（以下簡稱“上海應物所”）聯(lián)合研制的極紫外自由電子激光裝置——“大連光源”經過3個多月卓有成效的調試之后，終于發(fā)出了世界上最強的極紫外自由電子激光脈沖——單個皮秒激光脈沖可產生140萬億個光子，成為世界上最亮且波長完全可調的極紫外自由電子激光光源。
究竟何為極紫外自由電子激光？該裝置又有哪些應用？《經濟日報》記者就帶您一起，去領略“大連光源”的耀眼風采。
為分子拍電影的攝像機
光的本質是電磁波，同時也是粒子，光子本身帶有能量，波長越短，光子的能量就越高?？梢姽獾牟ㄩL大致處于400到700納米之間（1納米等于10億分之一米），其光子能量可以刺激人的視覺細胞產生信號，而波長小于可見光的紫外光因為光子能量高，會對人體產生危害，比如UVA（320至400納米）和UVB（270至320納米）紫外光。“當波長短到100納米附近時，一個光子所具備的能量就足以電離一個原子或分子，而又不會把分子打碎，這個波段的光稱為極紫外光。”大連化物所科研人員戴東旭說。
自19世紀以來，電和電磁波不僅成為人類社會最重要的輸送和使用能源的形式，也成為人類認識和感知物質世界最重要的媒介和手段。例如，人們都是把聲音和圖像通過麥克風和攝像頭等轉換成電信號，然后進行處理和傳輸。
同樣，要想探測物質世界中的原子和分子，最關鍵的，就是要將所要探測的物質世界中的原子或分子中的相關信息變成易于識別和處理的電信號。“最直接的方法就是：把原子或分子中的電子打出來，使得原子、分子變成帶有正電荷的離子。這種帶正電的離子擊打在探測器上，就會形成電信號，這樣一來，我們便能更加靈敏地探測原子、分子及自由基。”戴東旭介紹說，通過探測打出來的電子，還可以得到物質的結構和動態(tài)信息，進而在原子、分子層次上探索物質世界的奧秘。
在科學實驗中，需要探測的原子或分子數量可能非常少，存在時間也非常短，普通的極紫外光源無法滿足這個需求，必須要有高亮度的極紫外光源，即極紫外激光。已經建成的大連光源是當今世界上首套運行在極紫外波段的自由電子激光用戶裝置，也是最亮的極紫外光源。光源的每一個激光脈沖可產生超過100萬億個光子，波長可在極紫外區(qū)域完全連續(xù)可調，具有良好的相干性；該激光還可以在飛秒或皮秒脈沖模式工作。
如此一來，具有高亮度、超快特性的極紫外自由電子激光，便可輕松“看到”在原子層次上發(fā)生的物理、化學、生物反應過程，將物質科學的實驗研究由宏觀體系深入到單個原子尺度體系、從靜態(tài)過程上升到超快的動態(tài)過程、從理想實驗環(huán)境下的研究逐步轉向真實反應條件下的研究。
“它是一個能夠給分子拍電影的工具。”上海應物所所長趙振堂介紹說，極紫外自由電子激光脈沖持續(xù)時間足夠短，能夠捕捉到化學鍵斷裂和形成的過程，大大提高了人類研究物質內部結構的能力。
為研究注活力的自由光
自由電子激光是國際上最先進的新一代光源，近幾年，其快速發(fā)展帶動了許多前沿科學研究的進步。大連光源綜合實驗裝置正是以極紫外自由電子激光為依托，試圖在能源利用、光刻技術、霧霾治理等領域有所突破。
“我們希望大連光源的成功能夠真正推動基礎研究的發(fā)展，尤其是利用極紫外光源來攻克分子科學、化學、能源等領域的技術難題。”大連化物所副所長楊學明說。
它為能源利用做好理論指導。
世界上90%以上的能源來自燃燒，在未來許多年，燃燒仍將是主要的能源來源。因此，高效利用能源以及減少污染排放量是重要的世界性問題。在燃燒過程中，分子不是經過單一反應而生成二氧化碳和水，而是經過許多中間步驟以及多個反應中間體。高亮度極紫外自由電子激光利用單光子電離的方法，能夠靈敏地探測到這些中間反應步驟和中間體，為闡明燃燒過程中的化學機理提供堅實的基礎。
它為光刻技術照亮前進方向。
在過去幾十年中，半導體芯片技術的快速發(fā)展主要依賴于激光光刻技術。這一技術極大驅動了半導體器件以及集成電路的發(fā)展。而高強度的短光波長光源是推動半導體器件向更小尺寸發(fā)展的關鍵，但是，極紫外波長區(qū)域的光源并不容易得到。大連相干光源能提供最低50nm波長的極紫外光源，可以用于EUV光刻技術的研究。而更高重復頻率的極紫外自由電子激光技術的發(fā)展，也有望為今后光刻技術朝著更小尺寸方向邁進提供可靠光源。
它為霧霾治理剖析內在原因。
霧霾已經成為大氣環(huán)境污染的頭號“通緝犯”，給人們的健康和生產生活各方面造成了嚴重危害，治理和防治大氣污染刻不容緩。而如何治理？首先要從根本上理解霧霾的形成和生長機理。
大氣中的化學物質與水分子作用后會形成分子團簇，這些團簇在成長過程中，吸附大氣中各種污染分子以及水分子，成為較大的氣溶膠顆粒，并逐漸成長為霧霾。利用大連相干光源極紫外軟電離技術，通過發(fā)展高靈敏度的單顆粒氣溶膠質譜和成核機理研究裝置，解析大氣化學中的團簇的精細結構，可揭示大氣中氣溶膠的成核動力學機制。
“‘大連光源’的建成出光成為我國大科學工程的又一成功范例，必將大大促進我國在能源、化學、物理、生物、材料、大氣霧霾、光刻等多個重要領域研究水平的提升，為我國的科學事業(yè)注入新的活力。”中國科學院副院長王恩哥說。
以科學驅動的攻堅隊
“大連光源”項目于2012年初啟動，2014年10月22日正式在大連長興島開工建設。開工以來，在不到兩年的時間里，便完成了主要基建工程和主體光源裝置的研制，并于2016年9月底安裝完成首次出光，創(chuàng)造了我國同類大型科學裝置建設的新紀錄。
“大型科學裝置最理想的工作模式需要具備幾大要素。”上海應物所研究員王東介紹說，“首先，要有非常明確和強烈的科學驅動；其次，在工程方面要有可行性和支持的團隊；此外，還有經濟、社會、政治等方面的考慮，前兩個是最基本的要素”。
趙振堂說：“以往，我們都是先建裝置，然后看化學家、物理學家能夠怎么應用；現(xiàn)在則是科學驅動、應用引領。建裝置之前，我們會做充分調研，考慮到全國科學家們的建議——我們建裝置的科學目標到底是什么？為什么建？”項目建設過程中，兩個團隊不停往返大連、上海兩地，相互討論和學習交流。王東回憶稱：“第一次到長興島勘察現(xiàn)場時，這里還是一片平地，什么都沒有。”耗時近8年，經過600至800人的團隊通力協(xié)作，終于建成了“大連光源”。
“大連光源”的成功建設，得益于兩個研究所的密切溝通和合理分工。“他們是做科學研究的，主要精力不是建設裝置。對于找基金委申請、找人建設這方面而言，他們找我們合作更有效果，因為建設裝置的隊伍需要經驗的積累。綜合利用各個研究所的力量，從整體效益上來說也是最好的。”趙振堂說。
王東也表示，“兩個團隊在科學驅動和技術執(zhí)行上均做到了最好。在起初的規(guī)劃階段，就要充分溝通：我們要知道他們想要什么，他們要知道我們能做什么。盡管建設時間只有兩年，但我們真正的合作可以推算到8年以前。有溝通就要有分工，我們的強項是做工程，大連化物所則擅長做科學”。
對于未來的裝置運轉，王東告訴記者，“以后，這個裝置是完全交給大連化物所運作的。他們必須培養(yǎng)整個隊伍，要懂所有的東西，學習所有的原理，包括操作和修理等細節(jié)。他們有一批非常出色的年輕人，素質都很高，現(xiàn)在已經相當大程度上可以獨立完成操作了”。
據悉，這一項目的順利完成，開創(chuàng)了我國科學研究專家與大科學裝置研制專家成功合作的先例，對于未來加快推動大科學裝置在科學研究中的應用具有重要的現(xiàn)實意義。大連化物所及上海應物所的項目專家們將進一步努力將大連光源建設成為高水平的實驗研究用戶裝置，為我國乃至世界提供一個獨特的科學研究裝置。
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