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小型同步辐射X射线装置问世

导读: 原本作为高能对撞机“副产品”的同步辐射光源,现在已经是人类对“光”最前沿的应用。

  原本作为高能对撞机“副产品”的同步辐射光源,现在已经是人类对“光”最前沿的应用。不过正如文中所说,巨大的体积和昂贵的价格,成为其大规模使用的巨大障碍——欧洲同步辐射光源的储存环周长达844米,上海光源的投资超过12亿元。如今,不论“迷你版”X射线装置与“巨型版”同步辐射装备相比,原理是否相同、功能是否弱化,都可以说它代表了一个方向——科学史上,很多了不起的技术都是通过微型化道路迎来了空前发展。

  通过使用一个小巧但功能强大的激光器,美国内布拉斯加大学林肯分校的科学家开发出了一种能够放在普通房间或卡车上的小型同步辐射X射线装置,有望改变人们对这类装置的印象,拓展同步辐射X射线的应用范围。

  该技术的核心是找到让散射激光束和激光加速的电子束这两条细微光束发生碰撞的方法。这就如同让两颗子弹在空中相撞一样。而要让这种“光子子弹”相撞更为困难,因为它们速度都接近光速。领导这项研究的内布拉斯加大学林肯分校强光实验室主任唐纳德·乌姆斯塔特教授认为,小型化同步辐射X射线设备让更多的科研人员和医生获得了更强大的研究和诊断工具。

  同步辐射光源是多学科前沿研究和高技术开发应用的“超级显微镜”,能够帮助科学家看到人类无法想象的物质细微结构。同步辐射X射线是其中的一种,与普通X射线相比,其成像质量更高、细节更为丰富,在探索物质内部结构和医学成像等领域均有着重要的应用价值。但因其规模大、造价高、运行维护费用昂贵,目前只有为数不多的几个国家建有这样的设备,极大地限制了该技术的应用和普及。

  在传统的同步辐射设备中,要产生这样的射线需要将电子加速到非常高的能量,而后周期性地改变方向,引导其在X射线的波长范围内释放能量,产生同步辐射X射线,因此必须用到巨大的加速器。而新研究中,科学家们用激光取代了电子加速器和其中的磁铁,实现了同样的目的。他们首先将激光束集中汇聚到一个气体射流上,形成强流相对论性电子束。

  而后再让另外一束激光与其汇聚,由此产生电子高速振动,生成高质量的同步辐射X射线,这一过程也被称为康普顿散射。值得注意的是,在此过程中光子的能量被增加了上百万倍,而产生这些高能射线的核心装备还没有一个硬币大。

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