大連光源項目負責人、中科院院士楊學明
■本報記者 甘曉
今年，由自然科學基金委資助、中國科學院大連化學物理研究所和上海應(yīng)用物理研究所聯(lián)合研制的“基于可調(diào)極紫外相干光源的綜合實驗研究裝置”（即“大連光源”一期項目）通過專家驗收，進入正式運行階段。
該項目負責人、中科院大連化學物理研究所研究員、中科院院士楊學明指出，項目通過驗收以后，光源裝置運行情況良好，吸引了眾多國內(nèi)知名科學家團隊前來尋求合作。對大氣化學中性團簇、地下水和冰川樣品測年、發(fā)動機燃燒過程中復雜機理等能源化學相關(guān)領(lǐng)域重大科學問題的研究，即將在這里展開。
這是自然科學基金委國家重大儀器專項資助的第一個經(jīng)費過億項目。
最近，“大連光源”迎來了首個國際用戶，英國皇家學會院士、英國布里斯托大學教授Mike Ashfold帶領(lǐng)團隊前來開展星際化學相關(guān)實驗數(shù)據(jù)采集。“這是一個非常獨特的科學實驗研究裝置，具有很好的性能。”Mike Ashfold評價說。
科學目標驅(qū)動
隨著科學發(fā)展，許多重要自然現(xiàn)象本質(zhì)上都是原子和分子過程，這已經(jīng)成為科學界的共識。那么，研究這些過程涉及的原子和分子反應(yīng)機制，便成為科學家關(guān)注的重大前沿問題。
類比人眼通過可見光反射看到物體，那么，用什么樣的光才能“看到”原子和分子的變化過程呢？從事物理化學研究的楊學明一直受困于反應(yīng)中間體的探測難題。當時，他意識到，一定要發(fā)展新的科學儀器，才有希望繼續(xù)深入推動物理化學的發(fā)展。為此，楊學明找到中科院上海應(yīng)用物理研究所所長趙振堂。雙方一拍即合：這是我國打造新一代光源的絕佳契機。
接受媒體采訪時，趙振堂曾表示，大連光源是以解決能源化學領(lǐng)域重大科技問題為驅(qū)動，由上海應(yīng)物所按照科學家團隊的需要“定向研制”的。此前，光源裝置基本都是先建好裝置，然后再去尋找用戶，看它能為誰的研究提供服務(wù)。
科學家們把目光集中在“極紫外光”上。在整個光譜中，極紫外光是一段能量極高的紫外光，一個光子所具備的能量就足以電離一個原子或分子而又不會把分子打碎。
楊學明說：“這正是探測物質(zhì)的分子、原子和外殼層電子結(jié)構(gòu)最重要的區(qū)域，對探索物質(zhì)化學轉(zhuǎn)化的本質(zhì)具有重要意義。”
一年多來，科研人員對水分子在極紫外波段的光解動力學開展了研究，發(fā)現(xiàn)了罕見的三體解離過程和高振轉(zhuǎn)分布的產(chǎn)物，有望幫助人類理解星際中這類物質(zhì)的產(chǎn)生和能級分布。同時，結(jié)合紅外光譜技術(shù)獲得水分子的團簇結(jié)構(gòu)信息，研究人員還深入解析了水中氫鍵構(gòu)成，對理解空氣中水分子的聚集過程（即霧的形成過程）具有重要意義。
最近，德國哥廷根大學教授兼馬普研究所所長Alec Wodtke已經(jīng)在德國獲得200萬歐元資金，計劃在大連光源建立表面化學研究實驗站，有望深入揭示分子與表面之間的化學反應(yīng)及傳能機理，推動新催化機理的產(chǎn)生。
聯(lián)合團隊首次攜手
2011年，由楊學明、趙振堂、王東等科學家領(lǐng)導的大連化物所和上海應(yīng)物所聯(lián)合研發(fā)團隊，提出在我國率先建設(shè)基于國際上新一代極紫外高增益自由電子激光綜合實驗裝置的計劃。很快，經(jīng)過中國科學院推薦申請和層層嚴格評審，該項目于2012年獲得自然科學基金委立項資助，專項經(jīng)費1.033億元。
2014年10月，“大連光源”正式在大連長興島開工建設(shè)。項目啟動后，聯(lián)合研發(fā)團隊僅用了兩年時間，就完成了基建工程以及主體光源裝置研制。2016年9月24日22點50分，超過300兆伏能量的高品質(zhì)電子束流依次通過自由電子激光放大器的全部元件，第一束極紫外光從總長18米的波蕩器陣列發(fā)出。
“大連光源”成為我國第一臺大型自由電子激光科學研究用戶裝置，也是當今世界上唯一運行在極紫外波段的自由電子激光裝置。
楊學明介紹，它可以工作在飛秒或皮秒脈沖模式，每一個激光脈沖可產(chǎn)生超過140萬億個光子，單脈沖亮度是世界上所有極紫外光源中最亮的，波長可在整個極紫外區(qū)域連續(xù)可調(diào)，具有完全的相干特性。
這些指標構(gòu)成了“大連光源”在極紫外波段最亮的“閃光燈”和超快的“快門”，幫助科學家在研究化學反應(yīng)動力學時，捕捉到分子、原子在化學反應(yīng)中的動態(tài)影像，給分子原子“拍電影”。
在科研人員看來，打破研究所之間的藩籬，讓不同學科真正交叉融合，集各家之長來建大科學裝置，是投入產(chǎn)出比最小、效率最高的一種方式。
對于大連光源，時任中國科學院副院長王恩哥給予了極高的評價：“大連光源是中科院乃至我國又一項具有極高顯示度的重大科技成果。裝置中90%的儀器設(shè)備均由我國自主研發(fā)，標志著我國在這一領(lǐng)域占據(jù)了世界領(lǐng)先地位，為我國未來發(fā)展更新一代的高重復頻率極紫外自由電子激光打下了堅實的基礎(chǔ)。”
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