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美科學家研發最強X射線精確度堪比解剖刀

文字:[大][中][小] 2016-2-3    瀏覽次數:2890    

  為了產生高精確度的X射線波長帶,讓直線加速器連貫光源進一步接近激光,研究人員為照片中展示的磁鐵組室安裝一個細長條鉆石。這個新硬件安裝在130米的磁鐵組中部,也就是在X射線產生的位置 。

  通過采用自注入技術,直線加速器連貫光源產生的激光脈沖能夠聚焦成非常狹窄的X射線波長,實現更高的強度,能夠加速研究進程,更快得出研究發現,同時也能讓此前不可能進行的一些實驗成為可能。左側圖片展示了自放大自發輻射脈沖,右圖展示了采用自注入技術產生的脈沖  通過采用自注入技術,直線加速器連貫光源產生的激光脈沖能夠聚焦成非常狹窄的X射線波長,實現更高的強度,能夠加速研究進程,更快得出研究發現,同時也能讓此前不可能進行的一些實驗成為可能。左側圖片展示了自放大自發輻射脈沖,右圖展示了采用自注入技術產生的脈沖

  新浪科技訊 北京時間8月20日消息,據美國物理學家組織網報道,借助于一個細長條鉆石,美國能源部斯坦福直線加速器中心(以下簡稱SLAC)國家加速器實驗室的科學家將直線加速器連貫光源(以下簡稱LCLS)改造成一個精確度更高的工具,可用于探索納米世界。經過這種改進,激光脈沖能夠聚焦成非常狹窄的X射線波長,實現更高的強度,讓此前不可能進行的一些實驗成為可能。

  在一個被稱之為“自注入”的過程中,鉆石將激光束過濾成單一的X射線波長,而后進行放大。這種升級相當于將短柄斧變成解剖刀,賦予科學家在原子層面進行研究和操控物質時更大的控制能力,也允許他們拍攝更加清晰銳利的材料、分子和化學反應照片。

  SLAC科學家、研究論文合著者杰里-哈斯廷斯表示:“你的控制能力越強,所看發現的細節就越精細。近15年來,人們一直在討論自注入技術。我們在SLAC進行研究時采取了這種由歐洲X射線自由電子激光裝置項目和德國電子同步加速器中心的吉安盧卡-格羅尼、維塔利-科查亞和伊夫格尼-薩爾丁2010年提出的方法。我們的研究人員來自于SLAC和阿貢國家實驗室,在研究這種激光時,我們吃驚地發現這項工程實際上非常簡單并且具有成本效益。”

  哈斯廷斯指出世界各地的實驗室都計劃對X射線激光裝置進行升級。研究論文刊登在上周的《自然-光子學》雜志上。自注入技術能夠產生強度遠遠超過當前的LCLS的X射線脈沖。強度提高的脈沖可用于進一步探測復雜材料,幫助解答與高溫超導體等奇異物質或者拓撲絕緣體內的復雜電子態有關的一系列疑問。

  LCLS通過將電子束加速到接近光速產生激光束,而后借助一系列磁鐵讓它們的移動軌跡呈Z字形。這能夠促使電子放射出X射線,X射線匯聚成的激光脈沖亮度可達到此前任何激光脈沖的10億倍,能夠以千萬億分之一秒的驚人速度掃描樣本。如果不采用自注入技術,X射線激光脈沖含有一系列波長(或者說顏色)并且無法預測,并非所有波長都是實驗所需要的。直到最近,實現LCLS的更狹窄波長帶仍需要剔除不需要的波長,導致脈沖強度大幅降低。

  為了產生高精確度的X射線波長帶,讓LCLS進一步接近激光,研究人員將一個細長條鉆石安裝在130米的磁鐵組中部,也就是在X射線產生的位置。產生更狹窄波長帶的研究才剛剛開始。SLAC加速器物理學家和研究論文合著者黃智容(Zhirong Huang,音譯)表示:“在對這一系統進行優化和增加波動器之后,我們產生的激光脈沖強度可增加10倍。”黃智容為研發高精確度的X射線波長帶做出了巨大貢獻。

  LCLS項目組已開始征集采用自注入技術進行未來實驗的提議。LCLS自注入系統的首批測試所取得的成果讓世界各地的科學家陷入極大興奮之中。來自其他X射線激光設施的代表——包括瑞士自由電子激光器項目,日本的X射線自由電子激光研究設施SACLA以及歐洲X射線自由電子激光裝置項目——也幫助進行這項研究并且從中學到他們希望的東西,用于自己的項目。

  LCLS項目采用自注入技術進行研究的關鍵人物、研究論文合著者保羅-艾瑪表示:“所有觀察者都樂得合不攏嘴。”艾瑪現就職于勞倫斯-伯克利國家實驗室,很善于將復雜的工作簡單化。他說:“自注入技術能夠發揮作用,我感到非常高興。”(孝文)

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