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小型同步輻射X射線裝置問世

[2013/11/28]

作為高能對(duì)撞機(jī)“副產(chǎn)品”的同步輻射光源,現(xiàn)在已經(jīng)是人類對(duì)“光”最前沿的應(yīng)用。不過正如文中所說,巨大的體積和昂貴的價(jià)格,成為其大規(guī)模使用的巨大障礙——歐洲同步輻射光源的儲(chǔ)存環(huán)周長(zhǎng)達(dá)844米,上海光源的投資超過12億元。如今,不論“迷你版”X射線裝置與“巨型版”同步輻射裝備相比,原理是否相同、功能是否弱化,都可以說它代表了一個(gè)方向——科學(xué)史上,很多了不起的技術(shù)都是通過微型化道路迎來了空前發(fā)展。


通過使用一個(gè)小巧但功能強(qiáng)大的激光器,美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的科學(xué)家開發(fā)出了一種能夠放在普通房間或卡車上的小型同步輻射X射線裝置,有望改變?nèi)藗儗?duì)這類裝置的印象,拓展同步輻射X射線的應(yīng)用范圍。相關(guān)論文發(fā)表在最近出版的《自然·光子學(xué)》雜志上。
 
  該技術(shù)的核心是找到讓散射激光束和激光加速的電子束這兩條細(xì)微光束發(fā)生碰撞的方法。這就如同讓兩顆子彈在空中相撞一樣。而要讓這種“光子子彈”相撞更為困難,因?yàn)樗鼈兯俣榷冀咏馑佟nI(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校強(qiáng)光實(shí)驗(yàn)室主任唐納德·烏姆斯塔特教授認(rèn)為,小型化同步輻射X射線設(shè)備讓更多的科研人員和醫(yī)生獲得了更強(qiáng)大的研究和診斷工具。
 
  同步輻射光源是多學(xué)科前沿研究和高技術(shù)開發(fā)應(yīng)用的“超級(jí)顯微鏡”,能夠幫助科學(xué)家看到人類無法想象的物質(zhì)細(xì)微結(jié)構(gòu)。同步輻射X射線是其中的一種,與普通X射線相比,其成像質(zhì)量更高、細(xì)節(jié)更為豐富,在探索物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域均有著重要的應(yīng)用價(jià)值。但因其規(guī)模大、造價(jià)高、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用昂貴,目前只有為數(shù)不多的幾個(gè)國(guó)家建有這樣的設(shè)備,極大地限制了該技術(shù)的應(yīng)用和普及。
 
  在傳統(tǒng)的同步輻射設(shè)備中,要產(chǎn)生這樣的射線需要將電子加速到非常高的能量,而后周期性地改變方向,引導(dǎo)其在X射線的波長(zhǎng)范圍內(nèi)釋放能量,產(chǎn)生同步輻射X射線,因此必須用到巨大的加速器。而新研究中,科學(xué)家們用激光取代了電子加速器和其中的磁鐵,實(shí)現(xiàn)了同樣的目的。他們首先將激光束集中匯聚到一個(gè)氣體射流上,形成強(qiáng)流相對(duì)論性電子束。

         而后再讓另外一束激光與其匯聚,由此產(chǎn)生電子高速振動(dòng),生成高質(zhì)量的同步輻射X射線,這一過程也被稱為康普頓散射。值得注意的是,在此過程中光子的能量被增加了上百萬倍,而產(chǎn)生這些高能射線的核心裝備還沒有一個(gè)硬幣大。
 

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