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合肥先进光源:探索微观世界的最亮“慧眼”

2018-12-13 09:14来源:科技日报

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  第二看台

  作为我国筹划建设的国际最先进低能区第四代同步辐射光源,“合肥先进光源”的设计方案和性能指标近日受到国际评审会专家组的高度评价。

  正在筹划建设的“合肥先进光源”波谱覆盖中红外至中软X射线波段,是拥有最高亮度的全辐射谱段空间相干性衍射极限光源。依托先进光源,将扩展建设先进的低能区自由电子激光装置以及世界唯一的太赫兹储存环光源,从而共同构成“合肥先进光源”集群,成为国际上在低能区最领先的光源中心,面向国内外科学家开放,为量子信息、能源与环境、生命科学等领域前沿研究提供公共平台。

  低能区全世界亮度最高

  “同步辐射和同步这个词的关系不大,只是它最初是在通用电器的一个同步加速器上被发现的,故而被定名同步辐射。正如X射线又被称为伦琴射线一样。”中国科学技术大学国家同步辐射实验室谢治教授介绍,同步辐射是一种全频谱,包含红外线、可见光、紫外线和X射线全光谱的光,这种光最突出的优点可以概括为全且亮,还有高偏振、窄脉冲、高准直等其他优点。

  “在医院拍摄X光、拍CT用的常规光源,优点是结构简单,缺点是单光谱且亮度不够。”谢治告诉科技日报记者,当探测微观世界时,光就成了我们的尺子,而刻度就是光的波长。

  “同步辐射的优势,不仅全光谱而且可以简单分离出其中任意波长的光,可以针对不同尺寸的对象选用不同尺寸的光来研究。高亮度意味着我们能更快看清微观世界的信息。”谢治说,亮度不够主要是针对探测微观世界时的需求。正如夜间在家找东西,最简单方法就是打开家中最亮的灯,让眼前一目了然,从科学意义上讲,就是更多的光子被你的眼睛接受,让大脑更快对周边所有情况有所了解。

  “而同步辐射就是我们探测微观世界时那盏最明亮的灯,到微观世界后,尺寸只有宏观物体的千分之一到百万分之一,要确保足够光子打到上面并散射衍射再被探测器探测到,如果没有足够的亮度(光子数),我们就需要足够的时间。”谢治说。

  各代光源亮度逐步升级

  “各代光源最主要的差别,就体现在亮度上。而这一步步的升级,就是一级级更高层次的科研平台,和奥运追求一样:更高,更快,更强。”中国科学技术大学国家同步辐射实验室主任陆亚林介绍,截至目前,已经有美国、日本、韩国等在建造第四代同步辐射加速器。而我国已经正在运行的同步辐射光源有四个,分别是北京正负电子对撞机、合肥国家同步辐射实验室、上海光源以及坐落于台湾新竹的同步辐射装置。

  北京正负电子对撞机被称为一代光源,合肥国家同步辐射实验室被称为二代光源,上海光源被称为三代光源。正在筹建的“合肥先进光源”就是四代光源。其中升级的一个主要性能就是亮度,到目前为止,同步辐射仍是对微观世界研究的最有效且系统的工具,没有之一。

  “不仅合肥要建,北京、上海等地也都要建。”陆亚林进一步介绍,“合肥光源”的特点是在低能端(小于2Gev),而北京、上海将主要覆盖中、高能端。

  将清晰进行纳米结构研究

  “国外科学家曾利用X射线荧光成像技术,仅用两天时间测量汞、锑、铅等元素在梵高油画中的分布,从而重构出底层画像,最后发现,原画是如草坪这样的印象派画作,但是实际上里面有一张人脸的画,只是被油彩再次覆盖。”“古代石碑上的文字已模糊不好辨认,但是在同步辐射光照射下,却清晰显现了。” 谢治教授说起同步辐射的应用如数家珍。

  现在医院拍一个CT常需要十几到几十分钟,出片还要再等几十分钟,而利用同步辐射只需要几秒延迟,便可以瞬时成像,骨骼、血管、肌腱都清晰可见,一旦成功乃至推广开来,可在手术过程中同步看清患者整个身体骨骼肌肉的各种情况,确保全视野无死角。

  谢治告诉记者,人类基因组计划的结构解析,绝大部分工作都是在同步辐射装置上完成的。

  “第四代光源将继续在实现亮度提高上做文章,比现在亮度提高一百倍,理论上,测得同样的信号,测试时间可以缩短为原来的百分之一。”谢治说,在这种技术支持下,将清晰地进行纳米级别的结构研究,很有可能直接观测到电荷的运动,有望揭开超导以及超流动性的秘密。(记者 吴长锋)

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