第45章 软X射线自由电子装置SXFEL
孙文龙很急。
周峰也很急,他本来一直犹豫,心中的想法也坚定下来。
他决定找刘牧好好的谈一谈,这是大事,也得慎重呀。
正因如此,周峰一直很犹豫,总觉得会极大改变刘牧的人生轨迹。
他决定之后,倒是松了口气,等刘牧回到了学校,开车带着他在学校门口的路上绕了一圈又一圈,说:“小牧,这下面就是我们江海SXFEL。”
刘牧心头一震,自从进行仪器设备升级之后,就发现小流的隐藏功能,等级检测,慕沙公司的电磁辐射检测仪是二级高等,示波器是二级中等。
光刻机是三级初等到高等。
按照小流的说明,刘牧猜测光刻机并非那么难,而是全供应链太长,需要太多公司合作,导致制造出来很困难。
唯一能突破三级的设备,就是X射线自由电子激光装置。
还特意查阅了目前世界上的资料。
目前国内在建只有两台。
其一,深城中能X射线自由电子激光装置,深城大科学装置建设极其重要一环,由科学院院士、南科大理学院院长杨明博士主持,预计2026年建成投用。
而,江海软X射线自由电子激光装置早在2015年就破土动工。
海外,美国已于2009年建成了世界上第一台硬X射线自由电子激光装置,升级加强版预计将在明年建成使用。
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X射线自由电子激光装置究竟有何魔力?
周峰说道:“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。”
怕刘牧不明白,他继续解释:“小牧,《三体》看过吧?在《三体》中,三体人通过智子来破坏人类的高速加速器运行,从而阻止人类对物质深层的研究,众多科学家也失意而终。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,其每秒可以发射每秒可发射多达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。此前,欧洲研究人员就已经利用欧洲XFEL观测了单个原子的运动,这会为控制原子或分子中的电子的运动铺平道路,并加深对基础物理的理解。”
刘牧早就对这比光刻机还要高级、突破三级上限的装置感兴趣,搜集了很多资料阅读,XFEL还能研究蛋白质,破解细胞传导的难题;捕捉化学反应的瞬间,解释反应机理。
除了生物和医学,XFEL在材料、能源、生命科学等方面都会发挥极大作用。
如果说1990-2010是半导体和互联网推进人类文明。
那2010-2050,就是XFEL推动下一步。
看到刘牧很有兴趣,周峰松了口气,继续道:“XFEL有两个要素:X射线和自由电子激光。X射线其实就是X光,或者叫伦琴射线、伦琴光,X射线本质是一种波长极短、能量很大的电磁波,波长范围在0.01nm到10nm之间,不同波长范围的X射线叫法不同,波长在0.01nm~0.1nm的叫做硬X射线,波长略大被称作软X射线。”
“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,损失的动能就会以光子形式放出。高强度的X射线还可由同步加速器或自由电子激光产生。”
接下来,周峰又详细讲解自由电子的概念。
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,外界因素影响比如升温,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。
目前在自由电子激光装置中,科学家用加速器实现电子加速。
自由电子激光实质上是一种利用自由电子为媒介的电磁辐射。
小牧,你改进了电磁辐射检测仪,对电磁辐射应该很了解。
这种辐射由于消耗了加速器的能量,一开始科学家对此很不喜欢,但后来,科学家发现同步辐射是具有从远红外到X光范围内的连续光谱、高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制等优异性能的脉冲光源,可以用来开展其它光源无法实现的许多前沿科学技术研究。
XFEL天生不凡,性能出众。
X射线自由电子激光在亮度、光脉冲和相干性上表现得都更好。
光脉冲就是光源按着一定时间间隔时断时续的发光。
比如,在使用手电筒时,不停的打开或关闭手电筒,那么光线也就会变的断断续续。
为了保证光线的连续性,脉冲间隔的时间越短越好。
目前,科学家实现的最短间隔为80阿托秒。
阿托秒是一种时间单位,1个单位等于10的-18次方秒。
这数字可能不够直观,1阿秒之于1秒,如同1秒之于317.1亿年。
刘牧听得津津有味,问道:“周老师,那什么又是相干性呢?”
周峰很高兴,也很欣慰。
果然,像刘牧这种天赋异禀的科技小天才,必然对高精尖科技有着天然的兴趣和开发欲望,原本,他看到千里目科技发展迅速,钞票哗啦啦进来,年轻人会迷失自我,沉浸在万恶金钱之中,白白浪费了天赋。
古今中外,多少天才俊杰被钱所毁?牛顿老大爷都在股市亏钱了。
周峰笑道:“首先,我们需要了解电磁波,电磁波是能量的一种,凡是高于绝对零度的物体,都会释出电磁波。光也是一种电磁波,除了可见光之外,不可见的无线电波、微波、红外线以及X射线都是。”
“电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直,振幅沿传播方向的垂直方向作周期性变化……”
刘牧连连点头,我一定要想办法加入X射线自由电子装置。
周峰心道,就跟游戏小男孩看到配置超高的游戏机一样,这小子天生就是攀爬世界科技树的料,幸亏,及时把他从万恶的金钱商业中拽了出来。
与推动世界科技进步相比,其他都是渣渣。
周峰也很急,他本来一直犹豫,心中的想法也坚定下来。
他决定找刘牧好好的谈一谈,这是大事,也得慎重呀。
正因如此,周峰一直很犹豫,总觉得会极大改变刘牧的人生轨迹。
他决定之后,倒是松了口气,等刘牧回到了学校,开车带着他在学校门口的路上绕了一圈又一圈,说:“小牧,这下面就是我们江海SXFEL。”
刘牧心头一震,自从进行仪器设备升级之后,就发现小流的隐藏功能,等级检测,慕沙公司的电磁辐射检测仪是二级高等,示波器是二级中等。
光刻机是三级初等到高等。
按照小流的说明,刘牧猜测光刻机并非那么难,而是全供应链太长,需要太多公司合作,导致制造出来很困难。
唯一能突破三级的设备,就是X射线自由电子激光装置。
还特意查阅了目前世界上的资料。
目前国内在建只有两台。
其一,深城中能X射线自由电子激光装置,深城大科学装置建设极其重要一环,由科学院院士、南科大理学院院长杨明博士主持,预计2026年建成投用。
而,江海软X射线自由电子激光装置早在2015年就破土动工。
海外,美国已于2009年建成了世界上第一台硬X射线自由电子激光装置,升级加强版预计将在明年建成使用。
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X射线自由电子激光装置究竟有何魔力?
周峰说道:“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。”
怕刘牧不明白,他继续解释:“小牧,《三体》看过吧?在《三体》中,三体人通过智子来破坏人类的高速加速器运行,从而阻止人类对物质深层的研究,众多科学家也失意而终。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,其每秒可以发射每秒可发射多达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。此前,欧洲研究人员就已经利用欧洲XFEL观测了单个原子的运动,这会为控制原子或分子中的电子的运动铺平道路,并加深对基础物理的理解。”
刘牧早就对这比光刻机还要高级、突破三级上限的装置感兴趣,搜集了很多资料阅读,XFEL还能研究蛋白质,破解细胞传导的难题;捕捉化学反应的瞬间,解释反应机理。
除了生物和医学,XFEL在材料、能源、生命科学等方面都会发挥极大作用。
如果说1990-2010是半导体和互联网推进人类文明。
那2010-2050,就是XFEL推动下一步。
看到刘牧很有兴趣,周峰松了口气,继续道:“XFEL有两个要素:X射线和自由电子激光。X射线其实就是X光,或者叫伦琴射线、伦琴光,X射线本质是一种波长极短、能量很大的电磁波,波长范围在0.01nm到10nm之间,不同波长范围的X射线叫法不同,波长在0.01nm~0.1nm的叫做硬X射线,波长略大被称作软X射线。”
“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,损失的动能就会以光子形式放出。高强度的X射线还可由同步加速器或自由电子激光产生。”
接下来,周峰又详细讲解自由电子的概念。
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,外界因素影响比如升温,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。
目前在自由电子激光装置中,科学家用加速器实现电子加速。
自由电子激光实质上是一种利用自由电子为媒介的电磁辐射。
小牧,你改进了电磁辐射检测仪,对电磁辐射应该很了解。
这种辐射由于消耗了加速器的能量,一开始科学家对此很不喜欢,但后来,科学家发现同步辐射是具有从远红外到X光范围内的连续光谱、高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制等优异性能的脉冲光源,可以用来开展其它光源无法实现的许多前沿科学技术研究。
XFEL天生不凡,性能出众。
X射线自由电子激光在亮度、光脉冲和相干性上表现得都更好。
光脉冲就是光源按着一定时间间隔时断时续的发光。
比如,在使用手电筒时,不停的打开或关闭手电筒,那么光线也就会变的断断续续。
为了保证光线的连续性,脉冲间隔的时间越短越好。
目前,科学家实现的最短间隔为80阿托秒。
阿托秒是一种时间单位,1个单位等于10的-18次方秒。
这数字可能不够直观,1阿秒之于1秒,如同1秒之于317.1亿年。
刘牧听得津津有味,问道:“周老师,那什么又是相干性呢?”
周峰很高兴,也很欣慰。
果然,像刘牧这种天赋异禀的科技小天才,必然对高精尖科技有着天然的兴趣和开发欲望,原本,他看到千里目科技发展迅速,钞票哗啦啦进来,年轻人会迷失自我,沉浸在万恶金钱之中,白白浪费了天赋。
古今中外,多少天才俊杰被钱所毁?牛顿老大爷都在股市亏钱了。
周峰笑道:“首先,我们需要了解电磁波,电磁波是能量的一种,凡是高于绝对零度的物体,都会释出电磁波。光也是一种电磁波,除了可见光之外,不可见的无线电波、微波、红外线以及X射线都是。”
“电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直,振幅沿传播方向的垂直方向作周期性变化……”
刘牧连连点头,我一定要想办法加入X射线自由电子装置。
周峰心道,就跟游戏小男孩看到配置超高的游戏机一样,这小子天生就是攀爬世界科技树的料,幸亏,及时把他从万恶的金钱商业中拽了出来。
与推动世界科技进步相比,其他都是渣渣。
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