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光合作用的過程能看見?高性能條紋相機或許能實現
2018-06-16 09:03:56 來源: 經濟日報
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圖為5200皮秒條紋變像管。

圖為大動態范圍條紋相機。

圖為飛秒條紋相機。 記者 郭靜原攝

  國家重大科研裝備研制項目“高性能條紋相機的研制”順利通過驗收—— 標注時空成像新速度

  按下快門,依靠高速錄影機每秒幾百幅畫面的拍攝速率,能夠慢鏡頭回放激烈的體育賽事,看清運動員一呼一吸間的動作差異。而在這瞬息萬變的世界裏,人類所能觀察到的景象還不僅如此

  近日,由中國科學院西安光學與精密機械研究所承擔的國家重大科研裝備研制項目——“高性能條紋相機的研制”順利通過驗收,標誌著我國具有自主智慧財産權的高性能條紋相機進入實用化水準,對于實現超快診斷相關技術與精密測量儀器的自主研制生産,滿足國家重大工程、國家戰略高技術及前沿科學領域的需求具有極其重要的戰略性推動作用。

  窺探微觀世界瞬息萬變

  條紋相機是同時具備超高時間分辨與高空間分辨的唯一高端科學測量與診斷儀器——它把時間到來的先後順序轉換成空間進行判斷,根據空間位置窺探瞬態過程

  人類在追求突破“衍射極限”(指一個理想點物經光學系統成像,由于衍射的限制,不可能得到理想像點)空間分辨的同時,也在不遺余力地追求能夠實現“分子電影”那樣的時間分辨成像工具。與顯微技術用來觀測微觀世界的空間放大,是人眼空間分辨能力的延伸類似,超高速成像則是觀測瞬態事件的時間放大,是人眼時間分辨能力的延長。

  所謂瞬態事件,是指持續時間小于1微秒的超快現象,這種現象廣泛存在于自然或科學技術研究中。例如,植物的光合作用過程、超大型積體電路所産生的電脈衝、半導體材料的載流子壽命、化學反應的分子動力學過程、生物材料的熒光發射、鐳射器産生的超短鐳射脈衝、強光與物質相互作用的物理過程等,多在皮秒、飛秒甚至阿秒量級范圍內。

  要知道,1皮秒相當于1秒/1萬億。光可在1秒鐘內繞地球7圈半,而在1皮秒內只能傳播0.3毫米,在1飛秒內也就能走0.3微米,還不到一根頭髮絲的百分之一。

  “這些超快現象的研究對自然科學、能源、材料、光生物、光物理、光化學、鐳射技術、強光物理、高能物理等均具有重要意義。而觀測、記錄和分析這些現象又依賴于高時間分辨的診斷儀器。”中國科學院西安光機所所長趙衛説。

  對神奇現象的研究唯快難破,中國科學院院士侯洵告訴記者,“人眼的時間分辨能力是二十四分之一秒,也就是説,任何變化快于二十四分之一秒的過程,我們眼睛是看不清楚的。事情發生後,眼睛只能看到起始情況和最終情況,不具備對中間過程的分辨能力”。

  目前,性能最好的普通照相機可每秒拍攝2000張圖像,但面對超快現象卻束手無策。那麼,運用條紋相機就能做到嗎?

  趙衛介紹,條紋相機是同時具備超高時間分辨(皮秒—飛秒級)與高空間分辨(微米級)的唯一高端科學測量與診斷儀器。它涉及的儀器和技術已接近物理極限,代表了當前光電診斷技術的最高水準,是實現微觀和超快過程探測的必要手段。

  “通俗來説,假如有一隊人快速走進來,光靠肉眼我們分不清誰先誰後,只有讓他們按照一定秩序入座,根據空間定位才能知道誰先進來、誰後進來。”侯洵向記者舉例道,條紋相機就是把時間到來的先後順序轉換成空間進行判斷,根據空間位置窺探瞬態過程。

  侯洵進一步解釋,“同理可證,一束光照射在光電陰極上會發出電子,先到的光所發出的電子自然排在前面,通過電磁場對電子掃描,就可以根據電子停留的空間位置成像,從而推斷出它的時間順序”。

  突破尖端儀器裝備欠缺

  作為十分敏感的尖端技術,條紋相機的國際學術研究成果及器件設備的共用性很低,要想不受制于人,我國就必須制造自己的儀器裝備

  利用條紋相機,所能獲取的圖像資訊可不止先後次序這麼簡單。

  “以植物光合作用為例,作為地球上最大的太陽能利用過程,國際上的相關研究已經産生了6個諾貝爾獎。但光與葉綠素接觸後,究竟是如何變成化學能保留下來的?這其中的演化過程太快了,至今還沒有被研究清楚。”侯洵説。

  不僅如此,在同步輻射裝置以及正負電子對撞機等大型裝置中,條紋相機可以診斷粒子束團的長度等關鍵性能指標,為重大裝置的改進和性能提升提供參考依據;在國防安全及空間領域,條紋相機技術是爆轟物理研究中衝擊波速度、自由面速度以及爆轟溫度等常規武器性能評估的關鍵測量手段;基于條紋相機技術的新型鐳射三維成像雷達,是一種可以在探測器和目標物同時高速移動的情況下進行暫態成像的係統,可用于水雷搜索、海礦探測、地形地貌勘探等。

  在前沿技術研發與國家重大科學工程面前,條紋相機都能派上大用場。“而只有把這些過程看清楚了,科學家才有可能進行幹預,控制其朝著對人類有用的方向發展。”侯洵説。

  “但是,作為十分敏感的尖端技術,條紋相機的國際學術研究成果及器件設備的共用性很低,國外相關技術對我國實行嚴格封鎖,並對條紋相機實行嚴格的出口管制。”趙衛表示,條紋相機的研制涉及光學、超快電子學、微電子學、精密機械和電腦等多門學科,研制起點高、難度大,國內僅有少數單位具備初步研發能力,而西安光機所已在條紋相機領域擁有50多年的研究歷史。

  在中國科學院副院長張濤看來,想取得原創性科研成果,必須要打造中國自己的儀器裝備。“中國科學院研制條紋相機,就是要解決國家‘卡脖子’的事情,換句話説,越是受制于人的,我們就越要自己做。”張濤説。

  2012年1月份,在中國科學院和財政部的策劃支援下,西安光機所承擔了“高性能條紋相機的研制”國家重大科研裝備項目,旨在進一步提高條紋相機的綜合功能和性能指標,發展具有自主智慧財産權的高性能、高可靠性、實用化條紋相機係統,並形成一定的批量生産能力,滿足國家大科學工程和國家重大基礎前沿研究不斷增長的數量和高性能指標需求。

  長達5年的時間裏,西安光機所在條紋相機的性能提升、種類發展、生産標準等方面艱苦攻關、不斷創新技術。目前,他們已成功研制出8種類型的條紋相機,滿足了不同應用背景和一些特殊應用環境的測量需求。

  批量化生産專注實用

  目前,3類條紋相機均已進入實用化,部分核心關鍵技術和工藝達到國際領先水準,預計到2020年可逐步推向市場

  專家組一致認為:項目組完成了飛秒條紋相機、同步掃描條紋相機和大動態范圍條紋相機的研制工作,所有技術指標均達到實施方案規定的考核指標要求,3類條紋相機均已進入實用化,整體性能達到國際先進水準;部分核心關鍵技術和工藝難題得以突破,達到國際領先水準。

  此外,項目還建成設計與倣真平臺、電真空器件制備平臺、超快電子學技術平臺、綜合測試與分析評估平臺,形成了模組化、小批量條紋相機的研制生産能力,並培養了一支高水準條紋相機專業化研發團隊。專家組一致同意項目通過驗收。

  據驗收團隊成員介紹,高性能條紋相機已應用到西安電子科技大學的研究課題中——通過觀察羅丹明細胞大分子濃度隨時間的變化,反映出細胞活動規律,有助于新藥研發,為發育生物學、癌症診斷和細胞療法等領域提供參考。

  “工欲善其事,必先利其器。儀器研發後,如果只是給科學家本人使用,就不能真正對行業起到促進作用。”張濤在充分肯定項目所取得成果的同時,指出項目團隊應以項目驗收作為新的工作起點,持續推動核心關鍵技術突破,保持儀器設備的核心競爭力;要進一步加強儀器設備的科學應用,促進重大科研成果産出;盡早實現研制儀器的産業化推廣,更好地服務國家基礎前沿研究,滿足國際戰略需求。

  “目前,我們已建立條紋相機技術規范和標準,形成可儀器化條紋相機的生産能力;打破國際禁運與封鎖,保證我國未來幾十年基礎前沿科學、戰略高技術、國家大科學工程等領域對高性能條紋相機的需求。”趙衛透露,項目已實現小批量生産,預計到2020年,可實現條紋相機的規模化生産和銷售,逐步推向市場。(記者 郭靜原)

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【糾錯】 責任編輯: 邱麗芳
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