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薄暮下的钻石光源装置

钻石光源存储环上的桥

  据国外媒体报道,英国著名的第三代同步辐射光源“钻石光源”是英国40多年来投资兴建的最重要的大型科学装置和最大的民用科研基地。到2012年,“钻石光源”已建设10周年。近日,彭尼-巴林走进钻石光源,揭开这个著名科学装置的神秘面纱。钻石光源装置面积足有五个足球场大,可以产生比太阳光线还要明亮100亿倍的光源。

  钻石光源位于英国牛津郡。从空中看下来,钻石光源像是一个巨大的油炸圈饼或一艘太空船,周长约500米。事实上,它是一个多边形,有24条直线的边。顾名思义,钻石光源是一种强烈光线之源,其亮度甚至可达太阳亮度的100亿倍。当然,这种光源并不仅仅局限于可见光。钻石光源可以产生波长更短的、以X射线形式出现的光,此外还可以产生人类肉眼看不到的红外线和紫外线。

  研究人员研制这台同步加速器主要是希望能够像利用可见光一样利用这种超强光源,从而揭秘我们通常看不到的事物。红外线穿透两层透镜后聚焦,从而形成物体的显微结构图像,经过放大后就可以看到更清晰的图像。X光机将X射线穿透物体,从而在底片上形成物体内部组织的图像。X射线可以将诸如人体之类的大型物体的内部组成(组织)显现出来。

  英国钻石光源比任何X光机或显微镜都要强大数百万倍。它所产生的光线可以帮助科学家看清更微小物体(如原子)的内部结构。原子用埃为单位进行测量,一埃相当于一亿分之一厘米。为了看清原子的内部结构,科学家们正在尝试将一米的百亿分之一大小的物体可视化,因此他们需要更强大的光源穿透。他们需要波长比显微镜中用到的可见光短得多的光源,这就是钻石光源的任务之一。钻石光源产生某种强烈光线后,将其送到环绕于周围的实验舱中,真正的实验就是在这里。

  那么钻石光源究竟是怎样产生这种形式的光源的呢?其实,钻石光源和欧洲粒子物理研究所有相似之处,采用的是相似的粒子加速器技术。从术语上讲,这两种都是用来让粒子以高速运行。欧洲粒子物理研究所是将中子和质子分别以接近光速的速度对撞,从而研究粒子与宇宙是由什么组成的。不过,钻石光源是加速电子,而且并不需要电子之间互相碰撞,科学家们甚至都不需要电子本身来做任何实验。他们是利用高速电子产生强烈光源并应用于实验中。

  关于电子的产生方式,相信许多研究过老式电视机的人都很熟悉。电视机背后的阴极射线管加热某种合金后产生电子,并将这些电子发射到电视的荧光屏上产生人们看得到的图像。钻石光源的原理与此相似,不过规模要大得多。在电子枪中,加热合金后产生的电子并不是发射到荧光屏上,而是发射到三台加速器中。第一台是一个30米长的直线性加速器,它可以将电子从零加速到接近光速。然后,电子进入第二台加速器,在那里电子将获得巨大的能量,足以产生这种极为强烈的光线,能够帮助科学家照亮原子。最后,电子进入存储环中,这是一个约为560平方米的巨型管道。在环形管道中,电子束每秒环绕管道大约50万次,从而产生了同步加速器光源并将这种光以光束形式传送到存储环周围的实验室中。光束入口处的磁铁让高速电子的方向随着存储环多边形的拐角发生弯曲,导致光束以光子的形式释放能量。这种光的频谱范围从红外线到可见光和紫外线及X射线。

  钻石光源是第三代同步加速器。在光束的入口处,“插入设备”引起电子束在两个异性磁极之间来回摆动。这种“建设性干涉”产生非常明亮、非常密集的X射线束。这种X射线束极为强烈和密集,以致于在实验中保护性措施必须要严格执行。当机器运行时,严禁有人进入实验场所,因此实验都是通过远程控制方式实施的。

  这些X射线能够显现蛋白质和无机元素等物质的原子结构奥秘,从而帮助科学家以原子标准看清物质的组成。每年大约有2000多个研究团队来到英国利用钻石光源完成在其他地方无法开展的实验。科学家们曾经利用这种光源研究小麦的营养成份、评估食品中锌和铁含量增加的可行性、验证哪种形式的磷酸盐最适宜消除土壤中的金属污染物。随着钻石光源第三阶段的建设,其在科学领域的潜在新应用也将不断突破科学家们想象力的极限。

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channelId 1 1 揭英国钻石光源神秘面纱:亮度为太阳百亿倍 1 据国外媒体报道,英国著名的第三代同步辐射光源“钻石光源”是英国40多年来投资兴建的最重要的大型科学装置和最大的民用科研基地。