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X射线自由电子激光装置有望2026年建成——微观世界的超级高速摄像机!

X射线自由电子激光装置 SXFEL
发布:2020-10-14 16:10:38     来源:前瞻网

中国科学院院士、南方科技大学理学院院长、广东院士联合会会员杨学明博士在接受媒体采访时表示,深圳中能X射线自由电子激光装置(X-rayFreedom-electronLaser,XFEL)有望在2026年建成投用。据悉,目前杨学明院士正在帮助深圳规划建设中能XFEL,这也是深圳大科学装置建设中极其重要的一环。

其实,不只是深圳想要这一装置。2015破土开工的上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)已于今年5月通过测试,达到了项目指标,而规模更大、更为先进的XFEL也已经开工。

海外,美国已于2009年建成了世界上第一台硬X射线自由电子激光装置(XFEL),其升级加强版预计将在明年建成使用;欧洲也在2017年启用了目前全球最大的XFEL,该项目涉及11个国家。

让这么多国家趋之若鹜的XFEL究竟有何魔力?

XFEL就相当于是人类在微观世界的高速摄像机!20世纪,人类学会了利用X射线,人类的认知得以穿透物质,进入到内部世界。

但是,想要再深入微观世界,比如了解电子的运动状态,对光源的要求更高,人类目前观测到的只是一团混沌的轨迹。

人类对深层次微观世界观测的无力在科幻作品中也有所体现。在《三体》中,三体人通过智子来破坏人类的高速加速器运行,从而阻止人类对物质深层的研究,众多科学家也失意而终。有了XFEL,这样的问题就能得到解决。

以目前规模最大的欧洲XFEL为例,其每秒可以发射每秒可发射多达27000个脉冲。也就是说,每秒可以捕获2万多张画面。

凭借这样的精度,人类对电子等微观高速物体的观测将取得长足进步。此前,欧洲研究人员就已经利用欧洲XFEL观测了单个原子的运动,这会为控制原子或分子中的电子的运动铺平道路,并加深对基础物理的理解。

此外,XFEL还可用于研究蛋白质,破解细胞传导的难题;捕捉化学反应的瞬间,解释反应机理。除了生物和医学,XFEL在材料、能源、生命科学等方面都会发挥极大作用。

什么是XEFL?

这一装置有两个要素:X射线和自由电子激光。

X射线(X-ray)其实就是X光,当然也可以叫它伦琴射线或伦琴光,这是以其发现者伦琴教授命名的,他也因这一成就获得了诺贝尔奖。同时,伦琴也是照射量单位,用于表示存在的辐射量。

X射线本质是是一种波长极短、能量很大的电磁波,波长范围在0.01纳米到10纳米之间(对应频率范围30拍赫兹(PHz)到30艾赫兹(EHz)。

不同波长范围的X射线叫法不同,波长在0.01nm~0.1nm的叫做硬X射线,波长略大者被称作软X射线。因此,上面提到的上海和美国的XFEL区别就在于使用的X射线波长不同。

这一射线目前最为熟知的应用就是医学检查,机场高铁等安检也运用了X射线。X射线本身是具有辐射,有致癌风险,其发现者伦琴最终就死于癌症。不过不用害怕,用于医学检查和安检的X射线设备是安全的。

产生X射线的最简单方法是用加速后的电子撞击金属靶。撞击过程中,电子突然减速,其损失的动能就会以光子形式放出。此外,高强度的X射线还可由同步加速器或自由电子激光产生。

自由电子激光的概念在1971年就已经提了出来,与传统激光使用固体、气体、液体以及半导体作为工作介质不同,它使用自由电子作为媒介,名称也由此而来。

自由电子是指不被约束在某一个原子内部的电子。这种电子在受到外电场或外磁场的作用时,能够在物质中或真空中运动。

正常情况下,电子受原子核的引力影响(不同的原子核的引力不同,参考地球和月球的引力),围绕原子核作轨道运动。这一运动速度虽然很快,但远未达到脱离引力的程度。

自由电子的产生有两种。当两个不同原子核互相靠近,并在周围具有一定条件(例如温度升高)的情况下,核外电子运动速度加快,使其容易被引力更强的原子核吸引,脱离原来的原子核形成自由电子。

除了两个原子相互作用,外界因素影响(升温)也可以制造自由电子。温度升高,电子的运动能力增加,速度加快,有时会达到脱离原子核引力的速度,随后形成自由电子。

可以看出,这两种方式都是通过改变电子运动速度来实现的。目前在自由电子激光装置中,科学家多用加速器实现电子加速。

自由电子激光实质上是一种利用自由电子为媒介的电磁辐射。早在19世纪末,经典电磁理论就预言相对论电子在改变运动方向时会沿切线方向辐射电磁波。这一猜测后来得到证实,1947年,研究人员在美国通用公司的一台70兆电子伏特(MeV)同步加速器上观察到了这种电磁辐射,因此也将其称作同步辐射。

最开始,这种辐射由于消耗了加速器的能量,科学家对此很不喜欢,评价其为“寄生”。但后来,科学家发现同步辐射是具有从远红外到X光范围内的连续光谱、高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制等优异性能的脉冲光源,可以用来开展其它光源无法实现的许多前沿科学技术研究。

所以,XFEL指的就是发出的辐射光在X光波段(0.01nm—10nm)内的自由电子激光装置。波长在0.2-0.1nm的叫做硬X射线自由电子激光装置(上海目前在建的就是这种);波长在0.1nm以上的称软X射线自由电子激光装置。

天生不凡,性能出众

与典型的第三代同步辐射光源相比,X射线自由电子激光在亮度、光脉冲和相干性上表现得都更好。

光脉冲就是光源按着一定时间间隔时断时续的发光。举例来说,在使用手电筒时,我们不停的(时间间隔相同)打开或关闭手电筒,那么光线也就会变的断断续续。

可以看出,为了保证光线的连续性,脉冲间隔的时间越短越好。目前科学家实现的最短间隔为80阿托秒(Attosecond)。阿托秒是一种时间单位,1个单位等于10的负18次方秒。数字可能不够直观,根据中国计量科学研究院研究人员王棡的说法,1阿秒之于1秒,如同1秒之于317.1亿年。

那什么又是相干性呢?

首先,我们需要了解电磁波,电磁波是能量的一种,凡是高于绝对零度的物体,都会释出电磁波。光也是一种电磁波,除了可见光之外,不可见的无线电波、微波、红外线以及本文提到的X射线都是。

电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直,振幅沿传播方向的垂直方向作周期性变化。在这里我们用正弦函数图像来表示电磁波的传播。

我们以下面的图来说明:

相干意味着各个子载波之间有确定的相位关系,如果两个正弦波满足3个条件:振动方向相同、频率相同、相位差恒定,那么他们就是相干的。

将图上三个波(从左至右依次为蓝绿橙)视为电磁波的子载波,我们可以发现,这三个波的震动方向(从左至右)和频率(每条曲线峰值之间的间隔)相同,而相位(图中三个波的相位差为1)也一直保持恒定。这时,我们就可以说这三个波互有相干性。一般来说,相干性越高,电磁波的能量也就越大。

聚焦微观的超级装置

XFEL虽然聚焦微观研究,但是其建造面积却相当巨大。全球最大的欧洲XFEL总长达到了3.4公里。这里我们以中国目前在建的上海硬X射线自由电子激光装置为例了解其主要构造。

上海硬X射线自由电子激光装置是我国迄今为止投资最大的重大科技基础设施项目,总长3.1公里的装置,位于地下约30米的笔直隧道,如下图:

从上图看出,这一装置呈笔直分布,这是因为自由电子激光是在电子前进的方向上发出的光,所以它不能像同步辐射光一样围绕圆环运动来发出光束。建设方面的难度非常大,普通土建一般要求精度达到厘米级,而这一装置需要达到毫米甚至微米级。

工作时,电注入器发射电子,电子随后进入加速器并被加速接近光速,成为相对论电子,随即进入波荡器。

波荡器的结构大致如上图,其中绿色和蓝色表示磁性互异的永磁体。相对论电子进入波荡器后,由于磁场的影响,电子的运动路径开始变成旋转前进,在这个过程中,每个电子发出的X射线不断增加(因为相对论电子在改变运动方向时会沿切线方向辐射电磁波)。

最终,X射线从出口射出,而电子经过回旋运动失去动能(右边红色箭头方向)。

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