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科学仪器是科学研究的基石,重大科学突破越来越依赖先进的科学仪器.为鼓励具有原创性思想的探索性科研仪器研制,国家自然科学基金委员会(以下简称自然科学基金委)设立了"国家重大科研仪器研制项目',面向科学前沿和国家需求,以科学目标为导向,着力支持原创性重大科研仪器设备研制,为科学研究提供更新颖的手段和工具,以全面提升我国的原始创新能力.

本期基金版重点介绍2018年结题的四个"国家重大科研仪器研制项目',包括首个经费过亿的该类项目"基于可调极紫外相干光源的综合实验研究装置'/目前自然科学基金委资助的最大单体项目"基于上海同步辐射光源的能源环境新材料原位电子结构综合研究平台'"小动物光学多模融合分子影像成像设备'及"肺部气体磁共振成像仪器系统'等.

大连光源项目负责人/中科院院士杨学明

■本报记者  甘晓

今年,由自然科学基金委资助/中国科学院大连化学物理研究所和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'(即"大连光源'一期项目)通过专家验收,进入正式运行阶段.

该项目负责人/中科院大连化学物理研究所研究员/中科院院士杨学明指出,项目通过验收以后,光源装置运行情况良好,吸引了众多国内知名科学家团队前来寻求合作.对大气化学中性团簇/地下水和冰川样品测年/发动机燃烧过程中复杂机理等能源化学相关领域重大科学问题的研究,即将在这里展开.

这是自然科学基金委国家重大仪器专项资助的第一个经费过亿项目.

最近,"大连光源'迎来了首个国际用户,英国皇家学会院士/英国布里斯托大学教授Mike Ashfold带领团队前来开展星际化学相关实验数据采集."这是一个非常独特的科学实验研究装置,具有很好的性能.'Mike Ashfold评价说.

科学目标驱动

随着科学发展,许多重要自然现象本质上都是原子和分子过程,这已经成为科学界的共识.那么,研究这些过程涉及的原子和分子反应机制,便成为科学家关注的重大前沿问题.

类比人眼通过可见光反射看到物体,那么,用什么样的光才能"看到'原子和分子的变化过程呢?从事物理化学研究的杨学明一直受困于反应中间体的探测难题.当时,他意识到,一定要发展新的科学仪器,才有希望继续深入推动物理化学的发展.为此,杨学明找到中科院上海应用物理研究所所长赵振堂.双方一拍即合:这是我国打造新一代光源的绝佳契机.

接受媒体采访时,赵振堂曾表示,大连光源是以解决能源化学领域重大科技问题为驱动,由上海应物所按照科学家团队的需要"定向研制'的.此前,光源装置基本都是先建好装置,然后再去寻找用户,看它能为谁的研究提供服务.

科学家们把目光集中在"极紫外光'上.在整个光谱中,极紫外光是一段能量极高的紫外光,一个光子所具备的能量就足以电离一个原子或分子而又不会把分子打碎.

杨学明说:"这正是探测物质的分子/原子和外壳层电子结构最重要的区域,对探索物质化学转化的本质具有重要意义.'

一年多来,科研人员对水分子在极紫外波段的光解动力学开展了研究,发现了罕见的三体解离过程和高振转分布的产物,有望帮助人类理解星际中这类物质的产生和能级分布.同时,结合红外光谱技术获得水分子的团簇结构信息,研究人员还深入解析了水中氢键构成,对理解空气中水分子的聚集过程(即雾的形成过程)具有重要意义.

最近,德国哥廷根大学教授兼马普研究所所长Alec Wodtke已经在德国获得200万欧元资金,计划在大连光源建立表面化学研究实验站,有望深入揭示分子与表面之间的化学反应及传能机理,推动新催化机理的产生.

联合团队首次携手

2011年,由杨学明/赵振堂/王东等科学家领导的大连化物所和上海应物所联合研发团队,提出在我国率先建设基于国际上新一代极紫外高增益自由电子激光综合实验装置的计划.很快,经过中国科学院推荐申请和层层严格评审,该项目于2012年获得自然科学基金委立项资助,专项经费亿元.

2014年10月,"大连光源'正式在大连长兴岛开工建设.项目启动后,联合研发团队仅用了两年时间,就完成了基建工程以及主体光源装置研制.2016年9月24日22点50分,超过300兆伏能量的高品质电子束流依次通过自由电子激光放大器的全部元件,第一束极紫外光从总长18米的波荡器阵列发出.

"大连光源'成为我国第一台大型自由电子激光科学研究用户装置,也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.

杨学明介绍,它可以工作在飞秒或皮秒脉冲模式,每一个激光脉冲可产生超过140万亿个光子,单脉冲亮度是世界上所有极紫外光源中最亮的,波长可在整个极紫外区域连续可调,具有完全的相干特性.

这些指标构成了"大连光源'在极紫外波段最亮的"闪光灯'和超快的"快门',帮助科学家在研究化学反应动力学时,捕捉到分子/原子在化学反应中的动态影像,给分子原子"拍电影'.

在科研人员看来,打破研究所之间的藩篱,让不同学科真正交叉融合,集各家之长来建大科学装置,是投入产出比最小/效率最高的一种方法.

对于大连光源,时任中国科学院副院长王恩哥给予了极高的评价:"大连光源是中科院乃至我国又一项具有极高显示度的重大科技成果.装置中90%的仪器设备均由我国自主研发,标志着我国在这一领域占据了世界领先地位,为我国未来发展更新一代的高重复频率极紫外自由电子激光打下了坚实的基础.'

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