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光子科学大装置“台式机”梦想迈出关键一步

2021-07-22 09:44     粒子加速器

科研人员在调试激光加速器的光源。许琦敏摄

动辄投资数亿元、长达几百米到数公里的粒子加速器装置,未来可能只需一间房就能容纳,甚至还会变成“台式机”。这是全球物理学家的梦想,而它的实现需要一场从粒子“起跑线”开始的变革。

最近,中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室就将向着这一“梦想”迈出关键一步。今天凌晨,国际顶尖学术期刊《自然》杂志以封面文章的形式发表上海科学家的最新成果——在国际上率先完成了台式化自由电子激光装置原理的实验验证。

让电子加速“长跑”变“短跑”

提到加速器,无论是欧洲的大型强子对撞机,还是上海的软X射线自由电子激光装置等,都给人以庞然大物的印象。

“目前,全球已经建成并在运营的X射线自由电子激光装置,一共只有八个,几乎每个装置的实验机时都供不应求。”中科院上海光机所副所长、强场激光物理国家重点实验室主任冷雨欣说,造价高昂、占地面积大,使很多国家的科学家想用却造不起。

能否将此类科学大装置变成低成本的“小装置”? 如果可以实现,不仅科学家做实验将更方便,而且在工业和医疗领域也有望得到更广泛的应用。

本世纪初,发达国家开始了X射线自由电子激光装置的小型化探索。2012年,中科院上海光机所研究团队在国家自然科学基金委重大仪器专项的支持下,从在集装箱里搭建临时数据收集装置开始,向“台式机”的研制发起挑战。

项目主要完成人、中科院上海光机所研究员王文涛解释,传统X射线自由电子激光装置体积庞大,主要是因为射频电子加速器要让电子跑过很长的“跑道”,才能达到足够高的能量,而用超强超短激光来加速电子,效率是射频电子加速器的千倍以上,因此能将公里级“长跑”变成十几米“短跑”,从而大大缩小装置规模。

从奋战300天到3000天,最终实现“国际率先”

在位于嘉定的中科院上海光机所实验室,记者看到,从电子加速腔到波荡器,这套装置长度仅约12米,但它的电子加速器部分只有一个1米见方的腔体。

就在这个箱子里,一束超强超短激光穿过一团等离子体,就像一艘快艇激起的尾浪,将一部分电子裹挟而去,这些电子可在瞬间获得超高能量,这就是超强超短激光驱动的尾波场电子加速机制。

2004年,美、法、英等国科学家首次通过实验证实该机制的确能够获得高能电子束,论文发表在《自然》杂志上,被称为“梦之束”。“我们通过近十年的努力,终于在国际上率先验证了该方法不仅能够获得高品质的高能电子束,而且还能产生出自由电子激光,从而成为科学家探索未知世界的利器。”

国际同行高度评价该工作是激光尾波场领域“自‘梦之束’报道以来的又一里程碑式的成果”,“是一项重大的技术突破”。

“当时我们的口号是‘加班奋战300天,不见出光誓不还’,没想到实验做了3000多天,才最终得到了今天的结果。”王文涛说,在中科院上海光机所徐至展院士和李儒新院士的带领下,前后有二三十位年轻人投身该领域,将“冷板凳”坐“热”。未来,研究团队将进一步提升自由电子激光的输出功率和光子能量,并将其作为“羲和”实验装置中超快化学与大分子动力学研究平台的重要组成部分,提供开放共享。

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