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分析激光与X射线期待完美相遇

来源:   编辑:   时间:2012-10-27  

    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。

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