上海光机所获创纪录高能电子束,国家重大科研仪器新一代超强超短激光综合实验装置项目通过验收

by admin on 2020年4月7日

国家自然科学基金委员会组织专家对“新一代超强超短激光综合实验装置”项目进行验收。该项目是由中国科学院上海光学精密机械研究所承担的国家重大科研仪器研制项目(部门推荐)。  新一代超强超短激光综合实验装置以探索解决相位空间超高密度高能电子激光加速中的重大科学技术问题,发展超强超短激光驱动的台式化、短脉冲X
射线波段自由电子激光器(XFEL)战略高技术,开拓高强度阿秒相干X
射线科学和中红外新波段强场物理新领域等为科学目标。该装置将基于激光尾波场加速器实现台式化XFEL
输出的原理验证。该装置由高性能重复频率百太瓦级超强超短激光系统、中红外新波段可调谐超强超短激光系统、激光尾波场电子加速与台式化X
射线波段自由电子激光(XFEL)系统、高次谐波XUV相干光源系统等四个系统组成。  12月23日项目技术测试专家组、财务验收专家组和档案验收专家组分别进行了项目验收技术指标的现场测试、财务验收和档案验收。24日举行了项目验收会。验收专家组由19位技术、财务、档案专家组成,中国科学院院士张杰任组长、中国科学院院士杨学明任副组长。国家自然科学基金委员会副主任谢心澄、中国科学院条件保障与财务局局长郑晓年等领导,上海光机所副所长冷雨欣等项目组成员出席验收会。会议由基金委数学物理科学部董常务副主任国轩、张杰共同主持。验收专家组听取了项目负责人李儒新所作的项目完成情况汇报、项目监理组监理汇报、技术测试专家组测试汇报、财务验收专家组财务验收汇报、档案审查专家组档案审查汇报,并现场考察了研制仪器设备。  验收专家组经过投票,一致同意该项目通过验收。项目验收专家组表示,项目组全面完成了项目的研制任务,达到了预期指标。首次观察到基于激光加速的自由电子激光辐射非线性放大效应,并在激光尾波场电子加速、中红外新波段超强超短激光、激光驱动高次谐波产生等研究中取得了国际领先水平成果。验收专家组建议尽快落实平台的运行模式和经费保障,建立稳定的技术支撑队伍,实现开放共享,做好用户服务。  上海光机所所长邵建达,党委书记、副所长陈卫标,党委副书记李燕等代表项目承担单位参加项目测试会和验收会。

此前,基金委国家重大科研仪器设备研制专项“大连相干光源”验收会议于6月15日在大连化物所长兴岛园区举行。来自中科院高能物理研究所、南京大学、湖南大学、厦门大学、吉林大学、复旦大学、北京大学、中科院化学研究所、中国科学技术大学、中科院物理研究所等单位的19位专家组成的验收专家组和3位中科院监理专家对该项目进行了鉴定验收,中科院院士柴之芳担任验收专家组组长。

日前,中科院上海光机所在超强超短激光驱动尾波场加速产生电子束研究中取得突破性进展。中科院院士徐至展、研究员李儒新带领团队,实验获得了高品质的高能电子束,电子束六维相空间亮度远高于目前国际上报道的同类研究结果,在国际上首次接近了最先进的电子加速器所能获得的电子束亮度。

7月12日,在国家自然科学基金委(以下简称“基金委”)委务会上,由基金委资助、中国科学院大连化学物理研究所和中国科学院上海应用物理研究所联合研制的“基于可调极紫外相干光源的综合实验研究装置”(以下简称“大连相干光源”)项目通过了验收。专家组一致认为,该项目完成了实施方案规定的研制任务,达到了项目预期目标,同意项目通过验收。

超强超短激光驱动尾波场电子加速正是一种全新的电子加速机制,其加速梯度相比于传统射频加速器提高了3个量级以上。比如,它能够在不到1米的距离内把电子加速到传统加速器通过1公里的加速距离才能获得的能量,能够极大地降低加速器的规模和成本。这对未来的同步辐射装置、自由电子激光以及高能物理研究等都将带来深远的影响。

“大连相干光源”项目通过验收

上海光机所激光尾波场加速产生高亮度高品质电子束的研究成果发表于9月16日的国际物理学领域顶尖刊物《物理评论快报》上,并被优选为亮点论文。评审专家高度评价了这一研究结果:该亮度是迄今激光尾波场加速器实现的最高纪录。提出的新方法实现了创纪录的电子束流品质。这使我们距离低成本的激光粒子加速器的科学梦想更近了。

“大连相干光源”是我国第一台大型自由电子激光科学研究用户装置,是当今世界上唯一运行在极紫外波段的自由电子激光装置,也是世界上最亮的极紫外光源。该项目于2012年初正式启动,2014年10月在长兴岛开工建设,在两年里完成了基建工程以及主体光源装置的研制,并且在很短的时间内调试成功,于2017年1月成功发出了世界上最亮的极紫外自由电子激光脉冲,创造了我国同类大型科学装置建设的新纪录。装置建成后,引发了国内外科技界的广泛关注。目前,已有部分用户依托该装置开始开展相关科学实验研究,还有多个国内外知名团队表示希望依托该装置建设实验站。该装置在化学、能源、物理、生物、环境等一系列重要领域都有着广泛的应用前景,正在成为世界上高水平的、独特的基础科学实验研究平台,推动我国乃至全世界相关科技领域的发展。

然而,这一新加速原理在产生高品质电子束方面遇到诸多难题和挑战。比如激光加速获得的高能电子束的能散度比较大。激光尾波场加速的工作介质是被称第四种物态的等离子体,上海光机所研究团队此次创新性地在两段等离子体之间引入一段高密度等离子体,当120太瓦的超强超短激光脉冲在这种特殊密度结构的等离子体介质中传播时,在短短5毫米距离内电子束能量就可加速到600兆电子伏特,各项性能也得到了全面提升。

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与此同时,利用该方案获得的高亮度电子束与超强超短激光对撞产生了超高亮度伽马射线源,与国际上报道的同类伽马射线源亮度相比高出一个量级以上,比传统伽马射线源同能区的峰值亮度提高了10万倍。目前,该研究团队利用该电子束正在开展小型化全光自由电子激光装置的研制工作。

验收会上,验收专家组对项目进行了实地现场考察,并听取了项目负责人中科院院士杨学明做的验收工作汇报,仪器验收小组、档案验收小组和财务验收小组也分别做了验收报告,监理专家做了项目监理报告。经过严格的验收鉴定,专家组认为,项目组研制了一套基于高增益谐波产生模式的可调极紫外相干光源的综合实验装置,将先进相干光源和高灵敏度探测方法紧密结合起来,开发出独到的探测实验技术,应用于与能源相关的重要基础物理化学问题的研究。整机设备与测试设备全部就位,仪器运转正常,性能稳定。该光源为国内第一台自由电子激光用户装置,世界唯一工作在极紫外波段的自由电子激光装置,处于国际领先水平。项目组提交的验收资料齐全,项目管理规范,经费使用合理,符合验收要求。

当我们说到粒子加速器时,往往联想到一些大型对撞机。目前世界上最大的粒子加速器是发现上帝粒子的欧洲大型强子对撞机,总长26.649公里。这一类大型对撞机造价高达几亿甚至几十亿美元。因而,成本低廉、体积更小、突破传统加速梯度的粒子加速器成为近年来高能物理界一个重要的研究方向。人们期待着新一代粒子加速器改变其庞然大物的形象,成为科学家普遍拥有的实验装置,并在医疗、材料无损探测等方面发挥应用潜力。

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