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我国成功研制世界上最亮的可调极紫外光源

本文摘要:15日,由中国科学院沈阳化学物理研究所和上海应用于物理研究所牵头研制的“基于固定式极紫外相干性光源综合实验装置”——沈阳光源调试出光,输入光脉冲光子数超过140万亿个,沦为单脉冲世界上视星等的固定式极紫外光源,这意味著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茅。“这是中国科学院乃至我国的又一项具备极高表明度的根本性科技成果。

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15日,由中国科学院沈阳化学物理研究所和上海应用于物理研究所牵头研制的“基于固定式极紫外相干性光源综合实验装置”——沈阳光源调试出光,输入光脉冲光子数超过140万亿个,沦为单脉冲世界上视星等的固定式极紫外光源,这意味著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茅。“这是中国科学院乃至我国的又一项具备极高表明度的根本性科技成果。”中国科学院副院长王恩哥讲解,装置中90%的仪器设备皆由我国自律研发,标志着我国在这一领域占有了世界领先地位,为国家未来发展改版一代的高反复频率极紫外自由电子激光奠定了扎实的基础。沈阳化物所研究院张未卿告诉他记者,沈阳化物所从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,说明了设备的加装没问题,之后要调试的就是近于紫外光。

调试的过程很艰辛,也遇上了一些艰难。“调试的时候,种子激光和电子束要在空间、时间上都重合在一起,才不会再次发生起到,但他们的速度是以皮秒(1皮秒=1万亿分之一秒)计算出来的,所以十分艰难。在调试中,还经常出现过光线被阻挡的情况,工作人员要在100米宽的机器上逐段排查,找到挡光的原因。

”张未卿说道,几个月的时间,机器仍然不时运转,全体工作人员轮班推倒,为了尽早调至所必须的极紫外光源,通宵休息时间工作出了家常便饭。图片为沈阳光源摄影上海应用于物理研究所胡蔚成什么是近于紫外光?近代物理证明,光的本质是电磁波,同时也是粒子,光子本身具有能量,波长越高,光子的能量就越高。红外线的波长大体正处于400~700纳米之间(1纳米相等10亿分之一米),其光子能量可以性刺激人的视觉细胞产生信号,而波长大于红外线的紫外光因为光子能量低,就不会对人体产生危害,比如UVA(320~400纳米)和UVB(270~320纳米)紫外光。

而当波长较短到100纳米附近时,一个光子所不具备的能量就不足以电离一个原子或分子而又会把分子刺穿,这个波段的光称作近于紫外光。由于在科学实验中,必须观测的原子或分子数量有可能非常少,不存在时间也十分较短,普通的极紫外光源无法符合这个市场需求,必需要有高亮度的极紫外光源,即极紫外激光。

近于紫外光需要电离完全所有的构成普通物质的原子和分子的特性使得它无法在普通物质(还包括空气)中传播,不能在真空中传播,所以近于紫外光也称作真空紫外光。因此,极紫外激光无法在普通物质中产生和缩放,不能在“类似物质”中产生,这个“类似物质”就是瓦解原子核而分开不存在的权利状态的电子。据介绍,沈阳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,沈阳光源也将沦为当今世界上在极紫外波段最弱的自由电子激光。

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如何输入近于紫外光?根据电动力学原理,加速运动的电子不会向外电磁辐射电磁波,特别是在是往返逆向运球(波动)的电子电磁辐射电磁波能力十分强劲。常用的无线信号,无论是电视还是手机,都是通过抗拒电子在天线里往返波动升空电磁波。在沈阳极紫外相干性光源中,时间宽度为几个皮秒(1皮秒=1万亿分之一秒)的脉冲激光(驱动激光)在光阴极上投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快到3亿电子伏特的能量(这相等于让电子穿过3亿伏的超高压电场)。

这时,由于相对论效应,电子的速度与光速十分相似。再行用另一束皮秒或者亚皮秒时间宽度的强劲激光(种子激光)太阳光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起到下,就不会按照激光的波长在空间新的产于(调制),其中所含非常丰富的谐波成分。然后让空间产于被调制的电子束之后穿过一系列周期性变化的磁场(即波荡器)。

根据电磁学原理,电子在周期性磁场中不会一旁以光速向前飞行中,一旁左右转动,这样电子就不会向前电磁辐射出有光线。由于电子飞行中的速度和光速十分相似,电子在飞行中途中各处升空的光会变换强化,同时电子自身电磁辐射的光也在调制电子自己的空间产于,从而使得电子更为反感地电磁辐射光线。如果必要地自由选择周期性磁场的强度,就不会使得种子激光中的某个谐波成分按照前述方式急遽地自激缩放并超过饱和状态,从而输入近于紫外光。

近于紫外光让原子分子“到处遁形”很多物理和化学过程在本质上都是原子和分子过程,比如臭氧层空洞的构成牵涉到到大气上层臭氧分子(O3)的淬灭机制,雾霾的构成牵涉到到污染物分子(SO2、CO等)挤满过程,自燃过程牵涉到到氧原子或氧分子与其它分子的反应等一系列过程。要掌控或利用这些物理和化学过程,就必须在实验室里研究这些过程所牵涉到到的原子和分子的反应机制,因此就必须准确并且高灵敏度地观测所牵涉到到原子和分子。

在极紫外光太阳光下的区域内,完全所有的原子和分子都“到处遁形”。比如雾霾,大气中的化学物质与水分子起到后,构成分子团簇,这些团簇在生长过程中导电大气中各种污染分子以及水分子,生长为较小的气溶胶颗粒,并渐渐茁壮为雾霾。沈阳光源需要解析大气化学中性团簇的精细结构,说明了大气中气溶胶的温度梯度动力学机制。世界上90%的能源来自于自燃,高效利用能源以及增加污染废气是最重要的世界性问题。

近于紫外光可利用单光子电离的方法灵敏观测自燃中间反应步骤和中间体的理想光源,为阐述自燃过程中的化学机理获取扎实的基础。王恩哥说道,当今世界,大科学工程对于科技的发展起着更加最重要的推展起到。“沈阳光源”的竣工出光,沦为我国大科学工程的又一顺利范例,也终将大大增进我国在能源、化学、物理、生物、材料、大气雾霾、光刻等多个最重要领域研究水平的提高,为我国的科技事业流经了新的活力。沈阳化物所副所长杨学明期望,沈阳光源需要推展技术研究的发展,用电子极紫外光源来推展分子科学,以及化学、能源等涉及领域的发展。


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