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小型同步輻射X射線裝置問世

[2013/11/28]

作為高能對撞機“副產品”的同步輻射光源,現在已經是人類對“光”最前沿的應用。不過正如文中所說,巨大的體積和昂貴的價格,成為其大規模使用的巨大障礙——歐洲同步輻射光源的儲存環周長達844米,上海光源的投資超過12億元。如今,不論“迷你版”X射線裝置與“巨型版”同步輻射裝備相比,原理是否相同、功能是否弱化,都可以說它代表了一個方向——科學史上,很多了不起的技術都是通過微型化道路迎來了空前發展。


通過使用一個小巧但功能強大的激光器,美國內布拉斯加大學林肯分校的科學家開發出了一種能夠放在普通房間或卡車上的小型同步輻射X射線裝置,有望改變人們對這類裝置的印象,拓展同步輻射X射線的應用范圍。相關論文發表在最近出版的《自然·光子學》雜志上。
 
  該技術的核心是找到讓散射激光束和激光加速的電子束這兩條細微光束發生碰撞的方法。這就如同讓兩顆子彈在空中相撞一樣。而要讓這種“光子子彈”相撞更為困難,因為它們速度都接近光速。領導這項研究的內布拉斯加大學林肯分校強光實驗室主任唐納德·烏姆斯塔特教授認為,小型化同步輻射X射線設備讓更多的科研人員和醫生獲得了更強大的研究和診斷工具。
 
  同步輻射光源是多學科前沿研究和高技術開發應用的“超級顯微鏡”,能夠幫助科學家看到人類無法想象的物質細微結構。同步輻射X射線是其中的一種,與普通X射線相比,其成像質量更高、細節更為豐富,在探索物質內部結構和醫學成像等領域均有著重要的應用價值。但因其規模大、造價高、運行維護費用昂貴,目前只有為數不多的幾個國家建有這樣的設備,極大地限制了該技術的應用和普及。
 
  在傳統的同步輻射設備中,要產生這樣的射線需要將電子加速到非常高的能量,而后周期性地改變方向,引導其在X射線的波長范圍內釋放能量,產生同步輻射X射線,因此必須用到巨大的加速器。而新研究中,科學家們用激光取代了電子加速器和其中的磁鐵,實現了同樣的目的。他們首先將激光束集中匯聚到一個氣體射流上,形成強流相對論性電子束。

         而后再讓另外一束激光與其匯聚,由此產生電子高速振動,生成高質量的同步輻射X射線,這一過程也被稱為康普頓散射。值得注意的是,在此過程中光子的能量被增加了上百萬倍,而產生這些高能射線的核心裝備還沒有一個硬幣大。
 

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