動輒投資數(shù)億元、長達幾百米到數(shù)公里的粒子加速器裝置，未來可能只需一間房就能容納，甚至還會變成“臺式機”。這是全球物理學(xué)家的夢想，而它的實現(xiàn)需要一場從粒子“起跑線”開始的變革。
最近，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室就將向著這一“夢想”邁出關(guān)鍵一步。今天凌晨，國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志以封面文章的形式發(fā)表上海科學(xué)家的最新成果——在國際上率先完成了臺式化自由電子激光裝置原理的實驗驗證。
讓電子加速“長跑”變“短跑”
提到加速器，無論是歐洲的大型強子對撞機，還是上海的軟X射線自由電子激光裝置等，都給人以龐然大物的印象。
“目前，全球已經(jīng)建成并在運營的X射線自由電子激光裝置，一共只有八個，幾乎每個裝置的實驗機時都供不應(yīng)求。”中科院上海光機所副所長、強場激光物理國家重點實驗室主任冷雨欣說，造價高昂、占地面積大，使很多國家的科學(xué)家想用卻造不起。
能否將此類科學(xué)大裝置變成低成本的“小裝置”? 如果可以實現(xiàn)，不僅科學(xué)家做實驗將更方便，而且在工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域也有望得到更廣泛的應(yīng)用。
本世紀初，發(fā)達國家開始了X射線自由電子激光裝置的小型化探索。2012年，中科院上海光機所研究團隊在國家自然科學(xué)基金委重大儀器專項的支持下，從在集裝箱里搭建臨時數(shù)據(jù)收集裝置開始，向“臺式機”的研制發(fā)起挑戰(zhàn)。
項目主要完成人、中科院上海光機所研究員王文濤解釋，傳統(tǒng)X射線自由電子激光裝置體積龐大，主要是因為射頻電子加速器要讓電子跑過很長的“跑道”，才能達到足夠高的能量，而用超強超短激光來加速電子，效率是射頻電子加速器的千倍以上，因此能將公里級“長跑”變成十幾米“短跑”，從而大大縮小裝置規(guī)模。
從奮戰(zhàn)300天到3000天，最終實現(xiàn)“國際率先”
在位于嘉定的中科院上海光機所實驗室，記者看到，從電子加速腔到波蕩器，這套裝置長度僅約12米，但它的電子加速器部分只有一個1米見方的腔體。
就在這個箱子里，一束超強超短激光穿過一團等離子體，就像一艘快艇激起的尾浪，將一部分電子裹挾而去，這些電子可在瞬間獲得超高能量，這就是超強超短激光驅(qū)動的尾波場電子加速機制。
2004年，美、法、英等國科學(xué)家首次通過實驗證實該機制的確能夠獲得高能電子束，論文發(fā)表在《自然》雜志上，被稱為“夢之束”。“我們通過近十年的努力，終于在國際上率先驗證了該方法不僅能夠獲得高品質(zhì)的高能電子束，而且還能產(chǎn)生出自由電子激光，從而成為科學(xué)家探索未知世界的利器。”
國際同行高度評價該工作是激光尾波場領(lǐng)域“自‘夢之束’報道以來的又一里程碑式的成果”，“是一項重大的技術(shù)突破”。
“當(dāng)時我們的口號是‘加班奮戰(zhàn)300天，不見出光誓不還’，沒想到實驗做了3000多天，才最終得到了今天的結(jié)果。”王文濤說，在中科院上海光機所徐至展院士和李儒新院士的帶領(lǐng)下，前后有二三十位年輕人投身該領(lǐng)域，將“冷板凳”坐“熱”。未來，研究團隊將進一步提升自由電子激光的輸出功率和光子能量，并將其作為“羲和”實驗裝置中超快化學(xué)與大分子動力學(xué)研究平臺的重要組成部分，提供開放共享。
