文 章

来自“鹦鹉螺”里的神奇之光

2022年06月08日  

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 【百道编按】《先进X射线光源加速器原理与关键技术》是“上海光源”运行10余年的阶段性成果总结。本书以历史发展的视角与全球视野展现了同步辐射与自由电子激光原理发展、技术进步及其与科学应用之间相辅相成、相互促进的关系,旨在面向更为广阔的受众群体,侧重实用性与指导性,从而推动学科间的相互协作与融合。

《先进X射线光源加速器原理与关键技术》

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出版社:上海交通大学出版社
作者:赵振堂,等
出版时间:2020年12月

上海光源   闪耀世界

人类的生存和发展离不开“光”。光是一种电磁波,按照波长的不同,可分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、真空紫外线、软X射线、硬X射线和γ射线等。人类的文明史必然伴随着“光资源”的开发与利用。电灯的发明、X射线的发现、微波的发明、激光的发明等,都是人工光源发展史上的重大里程碑事件,极大地推动了人类文明的进程。

20世纪60年代末出现的同步辐射光源可以产生X射线,照亮了微观世界,可为原子分子拍照,即可以在原子和分子层次上研究物质的内部结构,因而被誉为“神奇的光”,在基础科学研究和高技术产业开发应用研究中都有广泛的用途。同步辐射光源的发展已历经三代,现已进入建设第四代同步辐射光源的新阶段。

(上海光源外景)

上海光源(SSRF)是中国大陆第一台中能第三代同步辐射光源,坐落在上海浦东张江高科技园区,外形像“鹦鹉螺”。目前全世界的中能同步辐射装置有20台左右,上海光源的性能在第三代光源中属于第一梯队。上海光源具有波长范围宽、高强度、高亮度、高准直性、高偏振与准相干性、可准确计算、高稳定性等一系列比其他人工光源更优异的特性,可用于从事生命科学、材料科学、环境科学、信息科学、凝聚态物理、原子分子物理、团簇物理、化学、医学、药学、地质学等多学科的前沿基础研究,以及微电子、医药、石油、化工、生物工程、医疗诊断和微加工等高技术的开发应用的实验研究。

(上海光源实验大厅)

作为上海建设“全球科创中心”重要支撑的“上海光源”是我国大科学装置和多学科实验平台,也是我国截至目前用户最多、用户产出成果最多的大科学装置,建成于2009年,至今累计服务用户数量已超过35000人,极大地促进了我国光子科学与技术的发展。科研用户利用上海光源做出了许多世界一流的科技成果,比如,中国科学院物理研究所丁洪团队利用上海光源,在国际上首次发现了外尔费米子,这一成果被欧洲物理学会评为2015年度“国际物理学十大突破之一”,并入选了Physical Review系列期刊125周年的纪念论文集。再比如,第一个在美国获批上市的中国本土自主研发的抗癌新药“泽布替尼”改写了中国抗癌药“只进不出”的历史,是中国新药研发的里程碑,在它的研制过程中,所有分子结合的结构数据,都是在上海光源获得的。在上海光源运行10余年中,其用户成果9次入选年度中国科学十大进展,5次入选年度中国十大科技进展新闻。

目前上海光源二期工程建设即将完成,新增18条性能优异的新光束线和32个新实验站,未来将为科研用户提供更多更高品质的光束用以实验研究。

(软X射线自由电子激光装置加速器隧道)

此外,在上海光源旁边建成的中国首台X射线自由电子激光装置——上海软X射线自由电子激光装置于2021年6月首次获得飞秒尺度的X光照片,表明我国在软X射线自由电子激光研制方面已步入国际先进行列(全世界仅有8台X射线自由电子激光装置,包括上海软X射线自由电子激光装置)。X射线自由电子激光是波长可调的超短超强相干X射线激光脉冲,在亮度、相干性和时间结构上都大大优于第三代同步辐射光源,可以拍摄分子和细胞的快速动态过程,因此它在成像和结构研究上能够更加清晰和精确。

(X射线自由电子激光振荡器产生全相干涡旋X光示意图)

2018年上海硬X射线自由电子激光装置启动建设,装置紧邻上海光源,建在上海光源园区西侧地下30米的隧道中,总长度为3.1公里,计划2025年建成。

作为我国第一台X射线相干光源,上海软X射线自由电子激光装置将与上海同步辐射光源、上海硬X射线自由电子激光装置,以及上海超强超短激光装置等一起,在浦东张江构建具有全球影响力的光子大科学设施集群和光子科学研究中心。

(上海光子集群设施)

作者简介

赵振堂,粒子加速器和自由电子激光技术专家,中国工程院院士。现任“上海光源”国家科学中心主任,中国科学院上海应用物理研究所原所长。长期从事粒子加速器研究与装置研制工作,主持建成我国首台第三代同步辐射光源加速器,研制成功两台自由电子激光装置、X射线自由电子激光试验装置和我国首台质子治疗同步加速器。在自由电子激光新原理研究、加速器关键技术研发、装置的设计与工程建设等方面取得卓越成绩。入选上海市科技精英和上海市领军人才;获国家科技进步一等奖1项(集体奖)、上海市科技进步特等奖1项、中国科学院杰出成就奖1项、上海市自然科学一等奖1项。

编辑:佑生

(本文原载于:上海交通大学出版社公众号)

来源:百道网

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