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德国汉堡动工建造欧洲巨型X光激光装置
华翼网新闻中心 news.chinesewings.com - 科学教育校园新闻) 2007-07-22
提到激光装置,人们首先想到的大概是激光唱机里的激光部件,或者是做报告用的激光笔。但来年将在德国汉堡动工建造的欧洲X光激光装置却和这些完全不同,它是一台长度超过3公里、造价10亿欧元左右的巨型设备,它将是欧洲最昂贵的科研设备之一。不久前,该项目正式启动。  (www.chinesewings.com)

“基石已经奠定。这里将要落成的,绝对世界顶尖。”这番大话,所指的是一台大装置。说这番话的,不是别人,而是德国联邦科研女部长沙万。这台装置,学名“X光自由电子激光装置”,英文缩写XFEL,简称X光激光装置。它的长度,准确说来是3.4公里长,明年开始破土动工,预计2013年落成,开始发光。

这台装置是由汉堡的德国电子同步加速器研究中心DESY主持开发的。它的特点何在呢?该中心的物理学家特罗伊施(Rolf Treusch)介绍说:“这台装置主要是由一个电子直线加速器构成的。加速器终端出来的激光将是前所未有的,它的波长在X光波段,比人们至今得到的激光的波长要短得多。”

1895年,德国物理学家伦琴发现了X光,一种人的肉眼看不见的光。二十世纪六十年代,科学家又发明了激光。为了把X光波长短、穿透力强的优势和激光亮度高、单色性和方向性好的特点结合起来,科学家们做了一系列探索。1984年,美国在实验室首次获得了X光波段的激光,也就是X光激光。又经过20多年的科研努力,科学家们终于可以建造大型X光激光装置了。特罗伊施不无自豪地表示:“我们将要得到的光,强度很高,波长极短,而且都乖乖地朝前‘看’,也就是说方向性极好,正像人们对激光所期待的那样。”

就像人们所熟悉的到医院检查,拍X光片透视内脏一样,X光激光也是用来透视物质的,只不过它能透视的完全是另一个数量级的物质,它可以透视到原子。

激光装置的核心部件是建在地下6米到38米深处的隧道中、全长3.4公里的直线加速器,它就像一条跑道,可以把电子加速到令人难以置信的速度,准确说来就是几乎每秒钟30万公里。特罗伊施介绍说:“我们先把电子从原子中分离出来,形成电子束,然后再通过我们的直线加速器,把这些电子束加速到接近光速的速度。随后再让它们通过一个特殊的磁体。这是一个磁场交替变化的扭摆磁体,电子通过时也会做扭摆运动,从而失去能量,而这些能量是以激光的形式辐射出来的,就像探照灯一样。”

如此生成的X光激光,能量极大,比今天已有设备产生的X光要强出上亿倍。那么科学家们要这么强的X光做什么用呢?他们希望透视各种不同的微观物质,透视蛋白质、半导体的分子结构,也透视地理样品。由于X光激光的亮度很高,快门时间可以很短,所以它是一种非常有利的工具,用于研究微观范围内瞬间状态的演变过程,比如说利用一定波段的X光激光就可以研究活细胞的演变过程,这对研究生命科学是非常有价值的。该项目负责人阿尔塔莱利(Massimo Altarelli)还介绍说:“利用X光激光,我们就可以更好地了解化学反应的过程,或者仔细研究恒星内部不同寻常的物质状态是怎么回事儿。可以说,所有的学科,无论是材料科学、化学、天文物理学,还是生命科学的各个领域比如分子生物学等等,都可以利用我们的装置进行探索,而且肯定是获益匪浅。”

举例来说,分子生物学家就希望能够拍到一个个蛋白质分子的图片,结果可有助于设计新药,专门针对蛋白质上的缺陷“对症下药”;化学家希望能够拍摄下化学反应的过程,然后再超慢速地播放,看一个个原子是怎样互相反应的,结果可有助于开发新的汽车尾气净化器。

X光激光装置虽然建在汉堡,但它却是一个欧洲项目。除德国以外,还有12个国家参与,其中包括法国、英国、俄罗斯,还有中国。上届德国政府2003年曾要求,其它国家应提供一半的经费。毕竟,也被比喻成灯塔的X光激光装置,它的一期建造工程就将耗资8.5亿欧元,项目总费用将达10.8亿欧元。但这一要求却未能实现。科研部长沙万说:“我们争取到了25%。我认为,这个项目必须上马。25%的结果也是不错的,也表明了很好的国际合作伙伴关系。我们需要这个灯塔。所以现在达到的筹资模式是现实、可行的。”

德国之所以在筹资模式未能如愿以偿的情况下,还是推动项目上马的背景是,国际上竞争激烈,因为日本和美国已经开始建造类似装置了。因此,欧洲人不得不尽早行动,拿出自己的X光激光装置以作回应,否则的话,专家们担心,在国际科研的激烈竞争中,欧洲将会落后,陷入依赖他人的不利境地。
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