从显微镜到望远镜：我国大型科学设施巡礼（三）-论文.pdf

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1、前沿FR0NTtER从显微镜到望远镜■●我国大型科学设施乙(三)◎张闯编者按：这是接上期的我国大型科学设施综述连载。在前两期介绍了“基本”粒子和原子核层次的大科学装置之后，本期介绍原子和分子层次的大型科学设施。内容涉及同步辐射装置、自由电子激光装置、中国先进研究堆和散裂中子源。我们在日常生活中接触的物体都1010210‘10lO-I10-21010-41010_6101010。910一10一“10一波长(米)是由分子组成的。分子是能够单独存波长尺度在并保持物质-f-．k_,学性质的最小微粒，波的名称由原子构成。研究分子中原子的组成和运动状

2、态，对于深入了解物质的性质及其相互转化的规律十分重要，涉电磁波源及物理、化学、地球科学、天文学、材料频率(波科学、生命科学、信息科学和能源与环数／秒)——而面面■一光子能量二————。——————————^——————-—二境等诸多领域。(电子伏)10_91Ol01O_61010_41O4lO一210一101O101031o410510原-T'~n~'T--层次的电磁辐射波长与频率的分布要用一种辐射作为“探针”来观测微观物质的结构，其波长应与被测物质的大小相当。从图中标出的典型物体尺寸与电磁大型科学设施波长的比较表明．波长为1~o．01纳

3、米(对应光子能量为1．24~124千电子伏)的分子和原子的尺寸在10～1O。米同步辐射和激光正是开展原子和分子层次研究的有效手段。中子也是一种研究物质微观结构的“探针”。中子作为一种微观粒子，具有波粒二象性。能量为1毫(1-0．1纳米)的数量级。要研究这么小电子伏～1电子伏的中子波长约为1-4)．03纳米，适合开展原子和分子层次的研的粒子，不但要看得到(高分辨率)、还究．特别是在磁结构和动力学特性研究方面，具有不可代替的独特作用(原图引要看清楚(高精度)，通常的光学显微自http：／／www．1b1．gov／MicroWodds／ALST

4、ool／EmSpec)。镜和一般的电子显微镜就做不到了，需要性能更好的(足够短的波长和高通量、高亮度等)它成为一种性能优异的新型强光源而得到广泛应用。第显微镜。科学家发明了同步辐射、自由电子激光和中子三代同步辐射光源亮度可达102o光子·秒毫米·毫弧源等装置，可以在原子和分子层次对物质结构进行深度(0．1％带宽)(以下省略该单位)，比X光机高10个入、细致的研究。数量级以上。国际上同步辐射的应用始于1960年代，带电粒子以接近光速的速度在电磁场中偏转时，1970年代有了进一步的发展，目前世界上约有60台沿轨道切线方向会发出一种电磁辐射，它

5、最初是在电同步辐射装置在运行中，另有10台左右正在设计和建子同步加速器上发现的，故被称为同步辐射。同步辐射造。我国同步辐射装置的建设自1980年代起步以来，具有宽阔的连续光谱、良好的准直性、清洁的真空环取得了长足进步，建成了基于正负电子对撞机的第一代境、灵活的时间结构、很高的亮度和偏振性等特点，这让的北京同步辐射装置、作为专用同步辐射装置的第二代的合肥光源，以及以插人件为主要产光部件的第三代的台湾张闯：研究员，中国科学院高能物理研究所，北京100049。光源和上海光源，并在大力开展自由电子激光的研究。zhangc@ihep．ac．cnZh

6、angChuang：ResearchProfessor,InstituteofHighEnergyPhysics，中子散射也是物质微观结构研究的有力手段。中ineseAcade『yofSciev,ces，8e巧错100049．子不带电、能量低、具有磁矩、穿透性强、无破坏性，能242014：i~F1月科学(66卷1期)前沿FR0NTtER精确确定轻原子的位置、能分辨同位素和近邻元素，不仅可探索物质静态微观结构，还能研究其动力学机制。1932年中子发现后，科学家就提出利用低能中子研究物质的微观结构．并在1936年成功地进行了首次中子衍射实验。

7、但要开展精确的中子散射研究，需要高通量的中子源。能提供高通量中子束的源主要有两类：反应堆和散裂源，前者具有高平均通量，后者能提供高脉冲通量，两者相辅相成、互为补充。二战以后，科学家开始利用核反应堆进行中子散射的研究。自1980年代起，世界上建造了一批基于高能强流质子加速器的散裂中子源。1958年我国建成了第一座实验性重水北京先进光源效果图BAPS包括一台能量为250反应堆，并开展了中子散射研究。我国在2010年建成兆电子伏的电子直线加速器、一台5吉电子伏的增强器了中国先进研究堆，现正在建造中国散裂中子源。和一台周长为1200~1500米的

8、5吉电子伏储存环。BAPS是规划中的北京综合研究中心的核心设施，其设计指标x光源和中子源互为补充，是诸多科学领域研究是世界上现有同步辐射装置中最高的。的重要平台。束的能量为5吉电子伏，电子束流