SLAC:探索X射线的未知世界

2018-11-01 08:59来源:未知

  作为美国能源部科学办公室领导下的10个国家实验室之一,斯坦福直线加速器中心国家加速器实验室(SLAC)是探索前沿科学问题当之无愧的领导者。

  从亚原子粒子到物质结构和功能的研究,再到对宇宙本质的探索,SLAC一直致力于用科学设施揭开科学奥秘,从而潜在地提升人类生活质量。

  SLAC位于美国西部加利福尼亚州著名的斯坦福大学内,由有着“西部哈佛”之称的斯坦福大学进行管理。

  1962年,作为世界上最长最直的建筑直线粒子加速器在斯坦福大学西部丘陵动工。这一项目最早被称为“M项目”,又被科学家们亲切地叫做“怪物(Monster)”。科学家利用它将电子加速到接近光速,来进行亚原子粒子的研究。

  斯坦福大学将土地租给联邦政府用于建造加速器中心,并为项目提供智力支持,从而打造了一种富有创造力和独特的合作关系并延续至今。也正是这种关系,使美国能源部为项目提供财力和管理上的帮助成为可能。

  其中,5个科学理事会分别为加速器理事会、直线加速器相干光源(Linac Coherent Light Source,LCLS)理事会、粒子物理及天体物理学理事会、光子科学理事会、斯坦福同步辐射光源(Stanford Synchrotron Radiation Lightsource,SSRL)理事会。而其中LCLS和SSRL两个部门也同时作为用户设施,对来自全世界的科学家开放。

  SLAC这样描述自身的任务:成为全球第一的光子科学实验室;保持作为世界领先加速器实验室的地位;追求粒子物理、天体物理和宇宙学方面的战略项目。

  SLAC的研究旨在用最快的速度和最高的能量,在最小和最大的时间与空间尺度内,探索物质的结构和动力,以及能量的特性。这些研究既能够解决主要的科学问题,又能从技术层面上满足社会需求。

  这样的任务定位直接表现为SLAC科学使命的多样化:从最初聚焦于粒子物理和加速器科学,发展到后来关注宇宙学、材料科学、环境科学、生物学、化学以及可替代能源等多领域研究。

  数以千计的科学家们还利用这里的实验室设备进行更为广泛的实验从考古学到药物研发、工业应用,甚至分析恐龙化石和艺术品。

  近半个世纪以来,SLAC一直从事自然界基本规律的探索,取得了许多重大发现,揭示了自然界的秘密。SLAC已由主要从事粒子物理研究的实验室逐步发展成为一个从事天体物理、光子科学、加速器和粒子物理等多学科研究的综合实验室。

  过去,它建造了世界上最长的粒子加速器,创立了北美洲第一个网站;如今,6名科学家通过在SLAC完成的工作获得诺贝尔奖的殊荣,每年以实验室研究为基础公开发表的科学论文高达1000多篇。

  2012年,曾担任SSRL实验室副主任的Chi-Chang Kao接替粒子物理学家Persis Drell,正式接掌SLAC。某种意义上讲,SLAC完成了从单纯粒子物理学实验室向着重于X射线研究的综合实验室转变的重要一步。

  对科学家们来说,X射线是最为有用的科学“武器”,它能很好地帮助研究人员确定分子与材料的性能与结构。

  而提及X射线,就不能不说SLAC两大“看家宝”LCLS和SSRL。它们每年吸引着数千名来自大学、工业界和实验室的研究人员。

  2009年4月,LCLS在SLAC诞生。这个巨型激光器长130米,每次启动装置需花2小时。该装置建成耗时3年,而从计划提出到完成开工准备几乎历时10年。

  为了满足各种应用需求,LCLS的输出可以在原子、分子和光子科学领域的不同设备之间进行切换。科学家利用LCLS对运动中的分子和原子进行静态图片拍摄,并解释化学、技术和生命本身的基本过程。

  其实,LCLS在建成的一年时间内并未发表科研成果,但却一直被视为激光领域“质的飞跃”或“里程碑式的杰作”。因为其完全不同于过去的激光器:这是国际上最早提出的第四代光源之一,也是世界上第一个发射硬X射线的自由电子激光器。

  1973年,斯坦福同步辐射工程(Stanford Synchrotron Radiation Project,SSRP)启动,在正负电子加速环SPEAR的基础上建设同步辐射实验设施。SSRP于1977年竣工,成为SSRL。

  SSRL为科学家们提供了高亮度的X射线,使他们得以开展更为广泛的研究在分子和原子尺度上对物质进行探索。其研究目标进一步拓展为能源科学、人体健康、环境清洁、纳米技术、新材料技术及信息技术等等。作为美国能源部科学办公室资助的5个“光源”之一,其研究成果使有关美国经济的各个部门受益。同时,它还提供了独特的教育功能,是国家未来科学力量的重要训练基地。

  SSRL是当之无愧具有开创性意义的同步辐射装置,在科学发现、技术创新和用户支持方面功不可没。如今,即便是迈入第5个十年,它依旧可以为科学发现发光发热,并以良好的状态迎接下一个十年。■