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中国高性能条纹相机研制成功 捕捉1微秒内超快现象
我国高性能条纹相机研制成功
捕捉1微秒内的超快现象(解码·发现)
5月22日,由中科院西安光学与精密机械研究所(以下简称中科院西安光机所)承担的国家重大科研装备研制项目“高性能条纹相机的研制”顺利通过验收,标志着我国具有自主产权的高性能条纹相机进入实用阶段。
具备同时测量超高时间分辨率与高空间分辨率的*科学仪器
超快现象(持续时间小于1微秒即百万分之一秒)广泛存在于自然或科学技术研究中。例如,植物的光合作用过程、超大规模集成电路所产生的电脉冲、化学反应的分子动力学过程、生物材料荧光发射、激光器产生的超短激光脉冲、强光与物质相互作用物理过程等,其发生的时间多在皮秒、飞秒甚至阿秒量级范围内。
中科院西安光机所所长赵卫说:“超快现象研究对自然科学、能源、材料、生物、光物理、光化学、激光技术、强光物理、高能物理等研究及技术领域具有重要意义。但是捕捉这种现象,靠人眼和普通相机是不行的。”
中国科学院院士侯洵说:“我们人类眼睛的分辨能力是1/24秒,也就是说,任何变化快于1/24秒的过程,我们眼睛是看不清楚的。事情发生了,眼睛只能看到的是起始的情况和zui终的情况,中间的过程是看不清楚的。”
那么,该借助什么仪器来捕捉超快现象呢?答案是高性能条纹相机。
赵卫说:“高性能条纹相机是具备能够同时测量超高时间分辨率(皮秒和飞秒),与高空间分辨率(微米)的*科学仪器,涉及的仪器和技术已接近物理极限,代表了当前光电诊断技术的zui高水平。”
“高性能条纹相机主要是提高了人类的时间分辨能力。”侯洵说,“通俗来说,条纹相机把时间分辨率转换成空间分辨率。举个例子,假如有一队人依次进入一个房间,如果你想弄清楚谁先进来谁后进来,一个办法就是让先进来的人站屋子的一头,后面进来的人依次排在他旁边站队。zui后根据空间上他们站的位置,就可以清楚地知道谁先来谁后来。”
侯洵进一步解释,“一束光照射光电阴极,光照在上面时会发出电子,那么,当然先到的光发出的电子也在前面。电子进来之后,我们就可以用电磁场来操纵,就是扫描。电子经过扫描之后,假如*个来的电子坐在zui左边,第二个在它之后,后面依次类推。然后根据它们的空间位置成像,看到图像中的空间位置就可以推断出时间顺序了。”
可应用于正负电子对撞机等大型装置和航天等领域
条纹相机的应用领域很广。
侯洵说:“在同步辐射装置以及正负电子对撞机等大型装置中,条纹相机可以诊断粒子束团和光束长度等关键性指标,对重大装置的改进和性能进一步提高提供参考依据;在航天领域也有非常大的需求,是一种可以在探测器和目标同时瞬变情况下进行实时成像的系统。”
然而由于条纹相机应用领域的前瞻性和敏感性,一直以来,条纹相机的学术研究成果及器件设备的共享性很低。赵卫说:“目前,我们国内对条纹相机的需求量每年大约50台。与其受制于人,不如我们自己努力来研制。”
于是,2012年起,在中国科学院和财政部的策划支持下,中国科学院西安光学与精密机械研究所启动了“高性能条纹相机的研制”项目,针对高性能条纹相机的时间分辨率、动态范围和同步频率三个主要技术指标的提升开始进行攻关。
虽然,在此之前,中科院西安光机所在条纹相机领域已经有50多年的研究历史,有一定的技术积累,但攻关过程仍然十分艰辛。项目团队克服了很多难以想象的困难,zui终解决了条纹相机制备过程中存在的各种工艺问题和工程实施难题,在很多关键技术领域取得了系列突破,获得了多项创新性成果,成功研制条纹相机相关大型设备8台套。
目前已实现小批量生产,争取2020年年底走向市场
项目验收会上,专家组认为:项目组完成了飞秒条纹相机、同步扫描条纹相机和大动态范围条纹相机的研制工作,所有指标均达到实施方案规定的考核指标要求,三类条纹相机均已达到实用化,其整体性能达到先进水平。部分核心关键技术和工艺难题得以突破,达到水平。
赵卫说:“项目还促进了两大新领域的发展。一是提出全光固体超快成像技术研制方案,国内研制成功同时具有超快时间分辨率、二维超高空间分辨率的全光固体相机,实现了条纹相机技术从真空到固体的跨越式发展,各项指标也达到水平。二是基于条纹相机研究团队在电真空器件领域的专业优势,突破了大面积光电增倍管关键技术,为我国中微子探测实验提供了技术保障。”
此外,项目研制期间还建成了设计与仿真平台、电真空器件制备平台、超快电子技术平台、综合测试与分析评估平台,形成了模块化、小批量条纹相机的研制生产能力,并培养了一支高水平的条纹相机专业化研发团队。
中国科学院副院长张涛表示,研制仪器的zui终目的是要能用好。“希望项目团队能进一步加强仪器设别的科学应用,促进重大科研成果产出,做好产业化推广,更好地服务国家基础前沿研究。”
赵卫透露:“目前项目已实现了小批量生产,预计到2020年年中,实现条纹相机的规模化生产和销售,达到每年200台,到2020年年底走向市场。”