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學(xué)霸的科技榮耀

第45章 軟X射線自由電子裝置SXFEL

學(xué)霸的科技榮耀 三胖 2378 2022-07-22 07:56:55

  孫文龍很急。

  周峰也很急,他本來一直猶豫,心中的想法也堅(jiān)定下來。

  他決定找劉牧好好的談一談,這是大事,也得慎重呀。

  正因如此,周峰一直很猶豫,總覺得會(huì)極大改變劉牧的人生軌跡。

  他決定之后,倒是松了口氣,等劉牧回到了學(xué)校,開車帶著他在學(xué)校門口的路上繞了一圈又一圈,說:“小牧,這下面就是我們江海SXFEL?!?p>  劉牧心頭一震,自從進(jìn)行儀器設(shè)備升級(jí)之后,就發(fā)現(xiàn)小流的隱藏功能,等級(jí)檢測(cè),慕沙公司的電磁輻射檢測(cè)儀是二級(jí)高等,示波器是二級(jí)中等。

  光刻機(jī)是三級(jí)初等到高等。

  按照小流的說明,劉牧猜測(cè)光刻機(jī)并非那么難,而是全供應(yīng)鏈太長,需要太多公司合作,導(dǎo)致制造出來很困難。

  唯一能突破三級(jí)的設(shè)備,就是X射線自由電子激光裝置。

  還特意查閱了目前世界上的資料。

  目前國內(nèi)在建只有兩臺(tái)。

  其一,深城中能X射線自由電子激光裝置,深城大科學(xué)裝置建設(shè)極其重要一環(huán),由科學(xué)院院士、南科大理學(xué)院院長楊明博士主持,預(yù)計(jì)2026年建成投用。

  而,江海軟X射線自由電子激光裝置早在2015年就破土動(dòng)工。

  海外,美國已于2009年建成了世界上第一臺(tái)硬X射線自由電子激光裝置,升級(jí)加強(qiáng)版預(yù)計(jì)將在明年建成使用。

  歐洲也在2017年啟用了目前全球最大的XFEL,項(xiàng)目涉及11個(gè)國家。

  讓這么多國家趨之若鶩的X射線自由電子激光裝置究竟有何魔力?

  周峰說道:“XFEL就相當(dāng)于是人類在微觀世界的高速攝像機(jī)!”

  “20世紀(jì),人類學(xué)會(huì)了利用X射線,人類的認(rèn)知得以穿透物質(zhì),進(jìn)入到內(nèi)部世界。但是,想要再深入微觀世界,比如了解電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),對(duì)光源的要求更高,人類目前觀測(cè)到的只是一團(tuán)混沌的軌跡?!?p>  怕劉牧不明白,他繼續(xù)解釋:“小牧,《三體》看過吧?在《三體》中,三體人通過智子來破壞人類的高速加速器運(yùn)行,從而阻止人類對(duì)物質(zhì)深層的研究,眾多科學(xué)家也失意而終。有了XFEL,這樣的問題就能得到解決?!?p>  “以目前規(guī)模最大的歐洲XFEL為例,其每秒可以發(fā)射每秒可發(fā)射多達(dá)27000個(gè)脈沖。也就是說,每秒可以捕獲2萬多張畫面。

  憑借這樣的精度,人類對(duì)電子等微觀高速物體的觀測(cè)將取得長足進(jìn)步。此前,歐洲研究人員就已經(jīng)利用歐洲XFEL觀測(cè)了單個(gè)原子的運(yùn)動(dòng),這會(huì)為控制原子或分子中的電子的運(yùn)動(dòng)鋪平道路,并加深對(duì)基礎(chǔ)物理的理解。”

  劉牧早就對(duì)這比光刻機(jī)還要高級(jí)、突破三級(jí)上限的裝置感興趣,搜集了很多資料閱讀,XFEL還能研究蛋白質(zhì),破解細(xì)胞傳導(dǎo)的難題;捕捉化學(xué)反應(yīng)的瞬間,解釋反應(yīng)機(jī)理。

  除了生物和醫(yī)學(xué),XFEL在材料、能源、生命科學(xué)等方面都會(huì)發(fā)揮極大作用。

  如果說1990-2010是半導(dǎo)體和互聯(lián)網(wǎng)推進(jìn)人類文明。

  那2010-2050,就是XFEL推動(dòng)下一步。

  看到劉牧很有興趣,周峰松了口氣,繼續(xù)道:“XFEL有兩個(gè)要素:X射線和自由電子激光。X射線其實(shí)就是X光,或者叫倫琴射線、倫琴光,X射線本質(zhì)是一種波長極短、能量很大的電磁波,波長范圍在0.01nm到10nm之間,不同波長范圍的X射線叫法不同,波長在0.01nm~0.1nm的叫做硬X射線,波長略大被稱作軟X射線?!?p>  “產(chǎn)生X射線的最簡單方法是用加速后的電子撞擊金屬靶。撞擊過程中,電子突然減速,損失的動(dòng)能就會(huì)以光子形式放出。高強(qiáng)度的X射線還可由同步加速器或自由電子激光產(chǎn)生?!?p>  接下來,周峰又詳細(xì)講解自由電子的概念。

  自由電子激光的概念在1971年就已經(jīng)提了出來,與傳統(tǒng)激光使用固體、氣體、液體以及半導(dǎo)體作為工作介質(zhì)不同,它使用自由電子作為媒介,名稱也由此而來。

  自由電子是不被約束在某一個(gè)原子內(nèi)部的電子。

  這種電子在受到外電場或外磁場的作用時(shí),能夠在物質(zhì)中或真空中運(yùn)動(dòng)。

  正常情況下,電子受原子核的引力影響,圍繞原子核作軌道運(yùn)動(dòng)。這一運(yùn)動(dòng)速度雖然很快,但遠(yuǎn)未達(dá)到脫離引力的程度。

  自由電子的產(chǎn)生有兩種。

  當(dāng)兩個(gè)不同原子核互相靠近,并在周圍具有一定條件的情況下,核外電子運(yùn)動(dòng)速度加快,使其容易被引力更強(qiáng)的原子核吸引,脫離原來的原子核形成自由電子。

  除了兩個(gè)原子相互作用,外界因素影響比如升溫,也可以制造自由電子。

  溫度升高,電子的運(yùn)動(dòng)能力增加,速度加快,有時(shí)會(huì)達(dá)到脫離原子核引力的速度,隨后形成自由電子。

  目前在自由電子激光裝置中,科學(xué)家用加速器實(shí)現(xiàn)電子加速。

  自由電子激光實(shí)質(zhì)上是一種利用自由電子為媒介的電磁輻射。

  小牧,你改進(jìn)了電磁輻射檢測(cè)儀,對(duì)電磁輻射應(yīng)該很了解。

  這種輻射由于消耗了加速器的能量,一開始科學(xué)家對(duì)此很不喜歡,但后來,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)同步輻射是具有從遠(yuǎn)紅外到X光范圍內(nèi)的連續(xù)光譜、高強(qiáng)度、高度準(zhǔn)直、高度極化、特性可精確控制等優(yōu)異性能的脈沖光源,可以用來開展其它光源無法實(shí)現(xiàn)的許多前沿科學(xué)技術(shù)研究。

  XFEL天生不凡,性能出眾。

  X射線自由電子激光在亮度、光脈沖和相干性上表現(xiàn)得都更好。

  光脈沖就是光源按著一定時(shí)間間隔時(shí)斷時(shí)續(xù)的發(fā)光。

  比如,在使用手電筒時(shí),不停的打開或關(guān)閉手電筒,那么光線也就會(huì)變的斷斷續(xù)續(xù)。

  為了保證光線的連續(xù)性,脈沖間隔的時(shí)間越短越好。

  目前,科學(xué)家實(shí)現(xiàn)的最短間隔為80阿托秒。

  阿托秒是一種時(shí)間單位,1個(gè)單位等于10的-18次方秒。

  這數(shù)字可能不夠直觀,1阿秒之于1秒,如同1秒之于317.1億年。

  劉牧聽得津津有味,問道:“周老師,那什么又是相干性呢?”

  周峰很高興,也很欣慰。

  果然,像劉牧這種天賦異稟的科技小天才,必然對(duì)高精尖科技有著天然的興趣和開發(fā)欲望,原本,他看到千里目科技發(fā)展迅速,鈔票嘩啦啦進(jìn)來,年輕人會(huì)迷失自我,沉浸在萬惡金錢之中,白白浪費(fèi)了天賦。

  古今中外,多少天才俊杰被錢所毀?牛頓老大爺都在股市虧錢了。

  周峰笑道:“首先,我們需要了解電磁波,電磁波是能量的一種,凡是高于絕對(duì)零度的物體,都會(huì)釋出電磁波。光也是一種電磁波,除了可見光之外,不可見的無線電波、微波、紅外線以及X射線都是?!?p>  “電磁波為橫波。電磁波的磁場、電場及其行進(jìn)方向三者互相垂直,振幅沿傳播方向的垂直方向作周期性變化……”

  劉牧連連點(diǎn)頭,我一定要想辦法加入X射線自由電子裝置。

  周峰心道,就跟游戲小男孩看到配置超高的游戲機(jī)一樣,這小子天生就是攀爬世界科技樹的料,幸虧,及時(shí)把他從萬惡的金錢商業(yè)中拽了出來。

  與推動(dòng)世界科技進(jìn)步相比,其他都是渣渣。

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