多国趋之若鹜的XFEL究竟有何魅力,深入微观世界可少不了它

视频介绍

2021-04-28 18:42:38

2009年美国建成了世界上第一台硬X射线自由电子激光装置XFEL,欧洲也在2017年启用了目前全球最大的XFEL,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。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。 说了那么多,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。相信对于X射线大家都不陌生。 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qi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,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qi实现电子加速。 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。 而去年通过验收的上海硬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。 这是我国已经实现的输出波长最短的自由电子激光。 怎么样,关于XFEL你了解了吗?

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