圖① “大連光源”直線加速器前端，該部分能夠產(chǎn)生并初步加速電子。
圖② “大連光源”電子直線加速器部分。
圖③ “大連光源”匹配段部分，用于連接加速器和波蕩器。
經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)記者 李芃達(dá)攝
日前，由中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡(jiǎn)稱“大連化物所”）和上海應(yīng)用物理研究所（以下簡(jiǎn)稱“上海應(yīng)物所”）聯(lián)合研制的極紫外自由電子激光裝置——“大連光源”經(jīng)過3個(gè)多月卓有成效的調(diào)試之后，終于發(fā)出了世界上最強(qiáng)的極紫外自由電子激光脈沖——單個(gè)皮秒激光脈沖可產(chǎn)生140萬(wàn)億個(gè)光子，成為世界上最亮且波長(zhǎng)完全可調(diào)的極紫外自由電子激光光源。
究竟何為極紫外自由電子激光？該裝置又有哪些應(yīng)用？《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》記者就帶您一起，去領(lǐng)略“大連光源”的耀眼風(fēng)采。
為分子拍電影的攝像機(jī)
光的本質(zhì)是電磁波，同時(shí)也是粒子，光子本身帶有能量，波長(zhǎng)越短，光子的能量就越高?？梢姽獾牟ㄩL(zhǎng)大致處于400到700納米之間（1納米等于10億分之一米），其光子能量可以刺激人的視覺細(xì)胞產(chǎn)生信號(hào)，而波長(zhǎng)小于可見光的紫外光因?yàn)楣庾幽芰扛?，?huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，比如UVA（320至400納米）和UVB（270至320納米）紫外光。“當(dāng)波長(zhǎng)短到100納米附近時(shí)，一個(gè)光子所具備的能量就足以電離一個(gè)原子或分子，而又不會(huì)把分子打碎，這個(gè)波段的光稱為極紫外光。”大連化物所科研人員戴東旭說。
自19世紀(jì)以來(lái)，電和電磁波不僅成為人類社會(huì)最重要的輸送和使用能源的形式，也成為人類認(rèn)識(shí)和感知物質(zhì)世界最重要的媒介和手段。例如，人們都是把聲音和圖像通過麥克風(fēng)和攝像頭等轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后進(jìn)行處理和傳輸。
同樣，要想探測(cè)物質(zhì)世界中的原子和分子，最關(guān)鍵的，就是要將所要探測(cè)的物質(zhì)世界中的原子或分子中的相關(guān)信息變成易于識(shí)別和處理的電信號(hào)。“最直接的方法就是：把原子或分子中的電子打出來(lái)，使得原子、分子變成帶有正電荷的離子。這種帶正電的離子擊打在探測(cè)器上，就會(huì)形成電信號(hào)，這樣一來(lái)，我們便能更加靈敏地探測(cè)原子、分子及自由基。”戴東旭介紹說，通過探測(cè)打出來(lái)的電子，還可以得到物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)信息，進(jìn)而在原子、分子層次上探索物質(zhì)世界的奧秘。
在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，需要探測(cè)的原子或分子數(shù)量可能非常少，存在時(shí)間也非常短，普通的極紫外光源無(wú)法滿足這個(gè)需求，必須要有高亮度的極紫外光源，即極紫外激光。已經(jīng)建成的大連光源是當(dāng)今世界上首套運(yùn)行在極紫外波段的自由電子激光用戶裝置，也是最亮的極紫外光源。光源的每一個(gè)激光脈沖可產(chǎn)生超過100萬(wàn)億個(gè)光子，波長(zhǎng)可在極紫外區(qū)域完全連續(xù)可調(diào)，具有良好的相干性；該激光還可以在飛秒或皮秒脈沖模式工作。
如此一來(lái)，具有高亮度、超快特性的極紫外自由電子激光，便可輕松“看到”在原子層次上發(fā)生的物理、化學(xué)、生物反應(yīng)過程，將物質(zhì)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究由宏觀體系深入到單個(gè)原子尺度體系、從靜態(tài)過程上升到超快的動(dòng)態(tài)過程、從理想實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的研究逐步轉(zhuǎn)向真實(shí)反應(yīng)條件下的研究。
“它是一個(gè)能夠給分子拍電影的工具。”上海應(yīng)物所所長(zhǎng)趙振堂介紹說，極紫外自由電子激光脈沖持續(xù)時(shí)間足夠短，能夠捕捉到化學(xué)鍵斷裂和形成的過程，大大提高了人類研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的能力。
為研究注活力的自由光
自由電子激光是國(guó)際上最先進(jìn)的新一代光源，近幾年，其快速發(fā)展帶動(dòng)了許多前沿科學(xué)研究的進(jìn)步。大連光源綜合實(shí)驗(yàn)裝置正是以極紫外自由電子激光為依托，試圖在能源利用、光刻技術(shù)、霧霾治理等領(lǐng)域有所突破。
“我們希望大連光源的成功能夠真正推動(dòng)基礎(chǔ)研究的發(fā)展，尤其是利用極紫外光源來(lái)攻克分子科學(xué)、化學(xué)、能源等領(lǐng)域的技術(shù)難題。”大連化物所副所長(zhǎng)楊學(xué)明說。
它為能源利用做好理論指導(dǎo)。
世界上90%以上的能源來(lái)自燃燒，在未來(lái)許多年，燃燒仍將是主要的能源來(lái)源。因此，高效利用能源以及減少污染排放量是重要的世界性問題。在燃燒過程中，分子不是經(jīng)過單一反應(yīng)而生成二氧化碳和水，而是經(jīng)過許多中間步驟以及多個(gè)反應(yīng)中間體。高亮度極紫外自由電子激光利用單光子電離的方法，能夠靈敏地探測(cè)到這些中間反應(yīng)步驟和中間體，為闡明燃燒過程中的化學(xué)機(jī)理提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
它為光刻技術(shù)照亮前進(jìn)方向。
在過去幾十年中，半導(dǎo)體芯片技術(shù)的快速發(fā)展主要依賴于激光光刻技術(shù)。這一技術(shù)極大驅(qū)動(dòng)了半導(dǎo)體器件以及集成電路的發(fā)展。而高強(qiáng)度的短光波長(zhǎng)光源是推動(dòng)半導(dǎo)體器件向更小尺寸發(fā)展的關(guān)鍵，但是，極紫外波長(zhǎng)區(qū)域的光源并不容易得到。大連相干光源能提供最低50nm波長(zhǎng)的極紫外光源，可以用于EUV光刻技術(shù)的研究。而更高重復(fù)頻率的極紫外自由電子激光技術(shù)的發(fā)展，也有望為今后光刻技術(shù)朝著更小尺寸方向邁進(jìn)提供可靠光源。
它為霧霾治理剖析內(nèi)在原因。
霧霾已經(jīng)成為大氣環(huán)境污染的頭號(hào)“通緝犯”，給人們的健康和生產(chǎn)生活各方面造成了嚴(yán)重危害，治理和防治大氣污染刻不容緩。而如何治理？首先要從根本上理解霧霾的形成和生長(zhǎng)機(jī)理。
大氣中的化學(xué)物質(zhì)與水分子作用后會(huì)形成分子團(tuán)簇，這些團(tuán)簇在成長(zhǎng)過程中，吸附大氣中各種污染分子以及水分子，成為較大的氣溶膠顆粒，并逐漸成長(zhǎng)為霧霾。利用大連相干光源極紫外軟電離技術(shù)，通過發(fā)展高靈敏度的單顆粒氣溶膠質(zhì)譜和成核機(jī)理研究裝置，解析大氣化學(xué)中的團(tuán)簇的精細(xì)結(jié)構(gòu)，可揭示大氣中氣溶膠的成核動(dòng)力學(xué)機(jī)制。
“‘大連光源’的建成出光成為我國(guó)大科學(xué)工程的又一成功范例，必將大大促進(jìn)我國(guó)在能源、化學(xué)、物理、生物、材料、大氣霧霾、光刻等多個(gè)重要領(lǐng)域研究水平的提升，為我國(guó)的科學(xué)事業(yè)注入新的活力。”中國(guó)科學(xué)院副院長(zhǎng)王恩哥說。
以科學(xué)驅(qū)動(dòng)的攻堅(jiān)隊(duì)
“大連光源”項(xiàng)目于2012年初啟動(dòng)，2014年10月22日正式在大連長(zhǎng)興島開工建設(shè)。開工以來(lái)，在不到兩年的時(shí)間里，便完成了主要基建工程和主體光源裝置的研制，并于2016年9月底安裝完成首次出光，創(chuàng)造了我國(guó)同類大型科學(xué)裝置建設(shè)的新紀(jì)錄。
“大型科學(xué)裝置最理想的工作模式需要具備幾大要素。”上海應(yīng)物所研究員王東介紹說，“首先，要有非常明確和強(qiáng)烈的科學(xué)驅(qū)動(dòng)；其次，在工程方面要有可行性和支持的團(tuán)隊(duì)；此外，還有經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、政治等方面的考慮，前兩個(gè)是最基本的要素”。
趙振堂說：“以往，我們都是先建裝置，然后看化學(xué)家、物理學(xué)家能夠怎么應(yīng)用；現(xiàn)在則是科學(xué)驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用引領(lǐng)。建裝置之前，我們會(huì)做充分調(diào)研，考慮到全國(guó)科學(xué)家們的建議——我們建裝置的科學(xué)目標(biāo)到底是什么？為什么建？”項(xiàng)目建設(shè)過程中，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)不停往返大連、上海兩地，相互討論和學(xué)習(xí)交流。王東回憶稱：“第一次到長(zhǎng)興島勘察現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，這里還是一片平地，什么都沒有。”耗時(shí)近8年，經(jīng)過600至800人的團(tuán)隊(duì)通力協(xié)作，終于建成了“大連光源”。
“大連光源”的成功建設(shè)，得益于兩個(gè)研究所的密切溝通和合理分工。“他們是做科學(xué)研究的，主要精力不是建設(shè)裝置。對(duì)于找基金委申請(qǐng)、找人建設(shè)這方面而言，他們找我們合作更有效果，因?yàn)榻ㄔO(shè)裝置的隊(duì)伍需要經(jīng)驗(yàn)的積累。綜合利用各個(gè)研究所的力量，從整體效益上來(lái)說也是最好的。”趙振堂說。
王東也表示，“兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在科學(xué)驅(qū)動(dòng)和技術(shù)執(zhí)行上均做到了最好。在起初的規(guī)劃階段，就要充分溝通：我們要知道他們想要什么，他們要知道我們能做什么。盡管建設(shè)時(shí)間只有兩年，但我們真正的合作可以推算到8年以前。有溝通就要有分工，我們的強(qiáng)項(xiàng)是做工程，大連化物所則擅長(zhǎng)做科學(xué)”。
對(duì)于未來(lái)的裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，王東告訴記者，“以后，這個(gè)裝置是完全交給大連化物所運(yùn)作的。他們必須培養(yǎng)整個(gè)隊(duì)伍，要懂所有的東西，學(xué)習(xí)所有的原理，包括操作和修理等細(xì)節(jié)。他們有一批非常出色的年輕人，素質(zhì)都很高，現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)大程度上可以獨(dú)立完成操作了”。
據(jù)悉，這一項(xiàng)目的順利完成，開創(chuàng)了我國(guó)科學(xué)研究專家與大科學(xué)裝置研制專家成功合作的先例，對(duì)于未來(lái)加快推動(dòng)大科學(xué)裝置在科學(xué)研究中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。大連化物所及上海應(yīng)物所的項(xiàng)目專家們將進(jìn)一步努力將大連光源建設(shè)成為高水平的實(shí)驗(yàn)研究用戶裝置，為我國(guó)乃至世界提供一個(gè)獨(dú)特的科學(xué)研究裝置。
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