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世界最“亮”的光,是如何发展而来的?丨高能同步辐射光源成功出束

时间:2023-03-17 02:01:13 来源:科普之家 作者:中国科普博览 栏目:前沿 阅读:68

出品:科普中国

作者:子乾

监制:中国科普博览

摘要:探微观优良光源无处觅 撞粒子同步辐射奈若何

3月14日,中国第一台高能同步辐射光源、“十三五”国家重大科技基础设施高能同步辐射光源(HEPS)直线加速器满能量出束,成功加速第一束电子束。这意味着高能同步辐射光源进入科研设备安装、调束并行阶段。

HEPS鸟瞰图

(图片来源:中国科学院高能物理研究所)

什么是高能同步辐射光源?如何最“亮”的光照亮微观世界?人类又是如何利用光源?让我们来一起聊一聊。

第一幕:光

有人说,摄影是用光的艺术。有光,才有摄影。但很多时候,仅仅自然光是无法满足需求的,这就需要人造光源来塑造拍摄场景。即使是相同的物体,在不同的光源下,也可能拍摄出完全不同的效果。

光是人类认识自然的最基本的工具,在科学的历程中,用好光也是至关重要的一部分。其中最直接的体现就是光学显微镜。比如使用透射式显微镜时,需要把样品切得很薄,这样光线才能从底下透过去样品,进入显微镜成像;如果把样品切得太厚,光线穿不过去,那就啥也看不到了。这种情况往往需要一个强大的光源辅助,纯靠自然光是不行的。如此想象,如果能有一个非常强大的光源,那么即使切片厚一些,也有足够的光线穿透过去!

光学显微镜

(图片来源:veer图库)

随着科学的深入,人们逐渐发现,可见光作为一种电磁波,存在干涉和衍射现象,被观察物体的尺寸必须大于光的波长,人们才能有效分辨其中的结构;另一方面,人们也可以利用波动的这种性质,用波长与被观察物体尺寸相近的单一波长的光进行观察,则可以产生干涉图样,虽然得到的不是直接的图像,但是其中依然包含了物体的结构信息。

可见光对应的波长在400纳米至760纳米,一个微生物大小则要大于1微米(1 微米=1000 纳米)的量级,因此,用可见光还是可以观察微生物的。但是,一个分子的大小一般只有几纳米到几十纳米,这个范围已经远远小于可见光了,因此就需要紫外线甚至是“软”X射线,才能有效地观察分子结构。X射线的能量比可见光高,对应的波长比可见光短,因此可以“看到”更小的物体。显然,能量越高的光就能看到越小的物体结构。当然,在实际情况中,也不是波长越短越好,要根据观察对象来选择光源。

电磁波频谱图

(图片来源:https://www.forbest.com/en/2020/K12-science_0227/518.html)

用X射线观察物体内部结构,起源于1912年11月,小布拉格以《晶体对短波长电磁波衍射》为题在剑桥哲学学会报告了研究成果,接着,老布拉格又于次年1月设计出第一台X射线光谱仪(这里插一句,小布拉格和老布拉格是诺贝尔历史上第一对父子获奖者)。自此,人们开启了利用X射线等观察物体结构的时代,越来越多的物质结构秘密被揭开。比如,DNA的双螺旋结构,就是用X射线照射后,通过分析干涉图样反推出来的。

DNA的X-射线干涉图样

(图片来源:伦敦国王学院)

现在,用X射线观察物体内部结构已经出现在我们的日常生活中了,比如医院拍片子、车站安检,以及码头对集装箱内部的检查等等,用的也都是X射线。只不过不同的场景下能量不同,对应X射线的波长不同,剂量也不同。

X射线安检机的监视器看到的画面

(图片来源:生态环境部华南核与辐射安全监督站)

第二幕:不可避免的能量损失

20世纪上半叶,人们逐渐地发现了构成宏观物质的亚原子粒子,比如电子、质子、中子、光子等,随着研究的深入,人们由从大地中以及宇宙射线中发现了新的粒子,如介子、缪子、奇异粒子等,这些粒子并不能稳定存在,会在很短的时间内衰变掉。

为了研究这些粒子的性质,一个靠谱的办法就是把粒子加速到比较高的能量,再进行打靶或者粒子对撞。中学物理知识告诉我们,带电粒子在电场中会受到力的作用而加速运动,在磁场中则会受到垂直于运动方向的洛伦兹力而做圆周运动。

回旋加速器示意图

(图片来源:图片自制)

于是,在20世纪30年代前后,劳伦斯发明了回旋粒子加速器,其基本结构是两个半圆的D型盒,两个半盒之间有缝隙,其中加以电场,当电子通过的时候能够被电场加速;整个加速器置于磁场中,电子在磁场的作用下做圆周运动。电场区域会根据电子的运动周期性地改变方向,保证电子每次经过时都是被加速。这样的加速器就叫做“同步加速器”,如此,电子可以被加速到较高的能量,而且也很容易控制。

粒子对撞机确实非常有效,帮助科学家发现了大量的粒子,甚至可以毫不夸张的说,在20世纪中叶,好像每天都有新粒子发现。开个玩笑,如果哪位科学家没能发现一个新的粒子,出门都不好意思跟别人打招呼,由此粒子物理标准模型也得以建立起来。在科幻剧《三体》中,外星人就是通过干扰对撞机实验而锁死人类的前沿科学呢!

粒子物理标准模型

(图片来源:https://m.guokr.com/article/459549)

然而,好景不长,1947年美国通用电气公司实验室在调试新建成的70 MeV电子同步加速器时,发现了一种强烈的光辐射,从此这种辐射便被称为“同步加速器辐射”,简称为“同步辐射”。实际上,理论上早就预言了这种电磁辐射的存在,带电粒子在加速运动的时候会发射电磁波。回想一下中学物理知识,匀速圆周运动虽然速度大小不变,但是方向一直在变化,这也是一种加速运动,因此,粒子会沿着运动切线方向辐射电磁波。这就像下雨天打伞,当我们转动伞的时候,水滴就会从伞的边缘沿着切线方向甩出去一样。

电磁波是有能量的,辐射出去的能量与带电粒子能量的四次方成正比!粒子能量损失,速度下降,给粒子加速的能量白白地辐射出去,无法有效利用。这种辐射是粒子运动的基本规律,是无法避免的能量损失,最终粒子物理学家也只能接受。

第三幕:变废为宝

对于粒子物理学家来说,同步辐射是一种能量损失,但是换一个角度来看,这股辐射也是光源啊!研究原子物理、固体物理、化学等方面的科学家对此很有兴趣,对于固体结构、原子光谱的研究中,往往需要高性能的良好光源。而这样的光源,不就在加速器中嘛!

20世纪50年代到60年代,科学家对加速器中产生的同步辐射开始了初步的研究,发现测量到的同步辐射与理论计算预期完美契合,并用同步辐射研究了氦、氯元素等的吸收光谱,自此之后,科学家开始在世界各地的电子同步加速器上,利用同步辐射做研究,并迅速把这种方法应用到原子/分子物理、固体物理等物理化学领域。

同步辐射有许多优良的性质,比如说辐射波长范围非常广,几乎可以涵盖从红外线到X射线的整个波段,可以说,同步辐射是唯一的频谱范围如此宽阔的优质光源,小到原子,大到头发丝,都在可观察范围内。而且辐射的波长可以连续变化,辐射的波长取决于能量,能量又与辐射粒子的能量相关,因此,只需要把电子(或其它用于加速的带电粒子加速到合适的能量上,然后再用磁场转弯,就能沿着切线方向获得光了!

(图片来源:http://pd.chem.ucl.ac.uk/pdnn/inst2/work.htm)

除此之外,同步辐射还有亮度高(是常规光源的上亿倍)、高准直性(几乎是平行光)、高纯净度以及良好的相干性、偏振性以及时间结构等。

如今,同步辐射的用户群体不断增加,使用领域也不断拓展,曾经被粒子物理学家所厌恶的无法避免的能量损失,现在已经是令人抢手的香饽饽了!这真是山重水复疑无路,柳暗花明又一村啊!

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