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日本大型同步辐射光源SPring-8
发布日期:2020-08-01 18:41   来源:未知   阅读:

  日本大型同步辐射设施SPring-8位于日本列岛中央兵库县的播磨科学花园城(Harima Science Garden City, Hyogo),是世界上能量最高的第三代同步辐射光源。它的英文名称SPring-8(Super Photon ring-8),意为“8GeV的超级光子环”,即输出功率8千兆电子伏。

  * 生命医学:解析蛋白质结构,研究生命机制、药品设计和改进、利用相位衬度成像方法进行生物样品高分辨率成像等;

  * 使用费:6万日元/小时。但科学家如果在此实验后公开研究成果,光源的使用则是免费的。

  1988年10月:建立日本原子力研究所(JAERI)和理化学研究所(RIKEN)合作组,进行大型同步辐射设施的设计和研发工作。

  1994年10月:实施“关于同步辐射设施的推广和通用法”,JASRI被指定为“促进同步辐射研究和使用的机构”。

  2000年6月:第一条签约的光束线日:日本原子力研究所JAERI改组为日本原子力开发研究机构JAEA(Japan Atomic Energy Agency)撤离SPring-8。光源由日本同步辐射研究所(JASRI)和理化学研究所(RIKEN)共同管理。

  2006年7月:“关于同步辐射设施的推广和通用法”修改为“促进重大先进科研设施的公众化”。

  直线米长的加速单元,加速电子束能量到1GeV。下图中红色部件为一个四极磁铁,用于聚焦电子束。

  电子束由钡钨浸渍的热离子枪生成。离子枪位于高压电板,电压约180KV。脉冲持续时间为1ns或40ns。选取的光束被束聚在一个束聚器上,并与25个加速腔一起加速到1GeV能量。电子束能散通过能源压缩机系统(ECS)减小。接着,作为注入器的直线加速器把电子束输送到增强器或NewSUBARU小储存环中。

  环形,周长396米。从直线GeV电子束将在增强器中加速至8GeV。下图蓝色为偏转磁铁,用于产生同步辐射光;黄色部件是六级磁铁,用于稳定电子束。

  增强器的磁聚焦结构FODO中,交替排列着弯转磁铁和四极磁铁,设置注入、加速和输出的重复频率为1Hz,谐波数672。如果注入单一束团到储存环,则安装RF淘汰系统,淘汰主束团邻近的其它电子束。专用的计时系统根据储存环各个引出线站所需的光的类型,注入不同的束流。

  巨大的环形,周长1436米。它的常规单元由2个偏转磁铁、10个四级磁铁、7个六级磁铁组成,长约30米。直线节位于常规单元之间,用于安装插件、射频加速腔,束流注入系统,束流诊断系统等,共计44个直线节。

  日本同步辐射研究所(JASRI)的Kouichi Soutome博士作了关于“SPring-8的恒流注入与束流轨道稳定性”的专题报告。他首先强调提供稳定的X射线束给用户对于精密实验的必要性。为了光束位置稳定必须抑制束流轨道变化,他指出储存环中束流流强恒定的恒流(top-up)注入方式可有效地确保同步辐射光强度稳定。SPring-8为此努力研究了各种各样引起轨道变化的因素来源,像磁铁电源的变化,冷却水引起的真空室振动等。

  SPring-8还改进了束流轨道校正系统和相应的测量系统。为了top-up注入,SPing-8采用减小由于注入引起的储存电子束的振动、减小注入电子束损失、保持长期高纯度的单束团注入等多种措施。最后,他报告了SPring-8在束流轨道稳定性现状及top-up注入运行模式的性能。SPring-8储存环内总的电流稳定性控制在0.1%以内,各束团的流强不一致性也控制在10%以内。

  小储存环周长约119米,由2个14米和4个2.6米的直线节组成。在长直线米长的波荡器和一个光学速调管自由电子激光装置。直线GeV的电子束可直接注入该储存环中

  光束线前端组件的设计本着足以承受辐射功率,减少接触的第一件光学元件的热负荷,以及在光束线发生故障的情况下保护储存环真空。

  1998年12月18日:签署SPring-8台湾专属光束线之合作备忘录与合约。

  2000年10月:生物结构与材料研究光束线出光并开始试运行。由储存环偏转磁铁引出,可供研究员从事X光吸收光谱、高解析X光散射、蛋白质结晶学及微区绕射等实验,进行生命科学、物理、化学的前瞻性科学实验,开拓各种尖端材料的全新研究领域。

  高压设备SPEED-Mk. II是一台双层1500吨夯力多铁砧压机。它使用14*14*14mm的烧结金刚石砧,产生高压和高温条件,达到50 GPa和2000oC。它可以出色完成能散X射线衍射和高速CCD成像实验。

  康普顿(Compton)散射磁谱仪主要由3 T超导磁体和10个锗固体探测器(SSDs)组成。超导磁体可在5秒钟内完成从-3 T到3 T之间的磁场切换。锗SSDs围绕掠入X射线度的散射角。样品温度由低温冷却器控制,介于10 K和室温之间。

  超高真空腔(用于如金属和半导体等晶体材料的表面)安装在巨大的X射线m)上。该腔配有标准的表面分析工具,如低能电子能衍射仪(LEED)和反射式高能电子衍射仪(RHEED)。

  由弯转磁铁引出的中波段硬X射线束线站,向工业用户开放。主要技术有X射线吸收、衍射、散射和成像。它拥有3个实验棚屋:

  棚屋二:X射线m。安装的多轴衍射仪进行残余应力测量和薄膜结构解析,Debye-Scherrer照像机用于粉末衍射研究。

  棚屋三:距离光源111m, 大小为8m*4m*3.3m。利用X射线成像技术进行工业材料的观察。

  该光束线a实验站配备研究自由原子和分子的半球形高分辨率电子能量分析仪(Gammadata-SCIENTA,SES-2002)。样品气体由多束阵列(MB Scientific AB)注入。该气体样品的多普勒效应导致的分辨率下降将减少分子束源的动能。

  IXS谱仪是一种特殊的科学仪器,需要非常精准的“手臂”运动,而“手臂”又长又重,10米,6吨(下图),还要大角度地转动:55度。其长度是为了确保良好的能量分辨率(〜1 meV),重量则是在真空飞行轨道上,防止X射线的散射和吸收。另外真空绝缘是为了非常精确地控制光学仪器的温度(〜 mK)。

  棚屋一:配有高空间分辨率X射线微探针,多功能X射线衍射仪,X射线荧光分析仪和高能X射线荧光光谱仪。

  智能双角光电子分析仪(DAPHNIA)用于测量光电子和俄歇(Auger)电子,“起飞角”可分别设置。提供至4800 eV的大型光电子动能。该仪器已经在使用高能量激发光束方面表现出良好性能。例如,较深核心层的电子激发,或高动能光电子的应用。

  下图为该光束线棚屋C中用于X射线微量分析的仪器。该仪器使用相位波带片(phase zone plate)形成强X射线微束,可应用于多种领域,如样品中微量元素的二维绘图,聚合物的微衍射和激光二极管中的应激分析等。

  下图是用于测量高分辨率光电子光谱仪和软X射线磁性圆二色谱仪(MCD)。光电子光谱仪的能量分辨率低于2 meV。MCD的超导磁铁测量样品的最大磁场为10 T。这两种仪器用于锕系材料的电子结构研究,如铀化合物。

  建有两个实验站,用于结构生物学研究。蛋白质结晶学实验站运用X射线结晶领域的MAD方法,即多波长异常衍射来利用同步辐射光。安装在测角仪上的用于蛋白质晶体的三色谱仪可产生三种不同波长的X射线。

  水是人们再熟悉不过的物质,水分子结构H2O更是众所周知。但或许人们没有深入思考过:冰将巨大的冷却能量储存在哪里?为何水在4oC时密度最大?而4oC以上或以下,水密度都降低?为何固态冰的密度小于液态水?

  日本科学家在SPring-8进行了水和冰的结构解析,一些新发现解决了长期以来争论不休的关于水性质的问题。他们利用高能非弹性散射光束线W,成功地进行了康普顿散射(Compton scattering)实验,直接观测到了冰在高分辨率下的结构和功能,核实了分子动力学模拟的准确性。这一基础研究成果,可有助于开发热储存材料,解析未来新材料的热存储性。论文发表在美国顶级科学杂志。

  塑料袋和塑料桶等塑料制品因轻便、防水、廉价,已成为我们日常生活中广泛应用且不可或缺的物品。但同时它也有缺点:抗拉强度低,易变形,不耐高温。它们由聚乙烯和聚丙烯等聚合物合成制造,在分子水平的结构由碳原子的长链构成。聚合物的这种“串状”结构使塑料制品质地如生物材料般柔软。然而,科学家研究发现:材料的抗拉强度会随着聚合物的链长加长而增加;当碳链拥有与钻石中碳原子共价键类似的抗拉强度时,通用塑料会变硬,但不会有钻石般的强度。

  彦阪教授领导的研究小组和他的博士生冈田清香(Kiyoka Okada,她在2003-2007年利用BL40B2光束线,观察到原子核核化过程。)从2007年到2010年期间,利用SPring-8的X射线散射装置,首次成功研发了一种聚丙烯基、具有强韧拉伸力和超耐热的新型塑料:NOCs(nano-oriented crystals)。

  普通塑料之所以抗拉能力差,是因为结晶度低。结晶度在50%左右的,即为高品质塑料。换而言之,结晶度越高,分子间的相互作用力越强,抗拉强度和耐热性越强。当聚合物分子规则排列时,晶体形成。因此若要提高结晶度,就必须尽可能地让聚合物分子规则排列。

  彦阪教授领导的研究小组发现了当塑料在熔融状态下使聚合物规则排列的方法,并证明应用该方法的结晶度为92%。因为NOCsS的结构看上去像铁甲,由一小片一小片的铁板组合而成,因此该模型被称作“铁甲”模型。新型聚丙烯拥有比普通塑材约七倍的抗拉强度,耐热温度达170°C或更高176°C,透光率99%,可回收,而且价格便宜,因为只需在传统的聚丙烯生产过程中增加一道工序。

  这一奇妙的新塑材最可能应用于传统汽车工业中钢铁车身的改造,虽然车身厚度将增加一倍,但重量仅为钢材的四分之一。

  多种离子参与生物体的生物活性。钙2+离子促使肌肉运动,是生物体中至关重要的离子之一,它储存在肌原纤维内质网中。当钙2+离子被释放到肌肉细胞中时,肌肉即收缩。同时,钙2+离子还需回到内质网中使肌肉舒张。一种称为钙泵的膜蛋白负责泵回钙2+离子。

  左:钙泵结构变化示意图。该图所示为钙泵反应周期中结构变化的一个环节:ATP被束缚,Ca2+离子被困于膜蛋白中。中间的结构变化以灰色呈现。

  每年,成千上万吨陨石落到地球,它们表面虽被烧成焦黑,但内部的金属和矿物质成分仍保持不变,因此被称作太空的“化石”。它为人类了解太阳系的奥秘提供了有力证据。

  日本同步辐射研究机构的小杉正人博士(Masato Kotsugi, JASRI)利用SPring-8的BL25SU光束线上的光电子发射显微镜(PEEM)解析了铁陨石的结构。铁陨石是由富含铁的α相和富含镍的γ相组成。小杉博士证实了在铁镍界面处存在一种纳米级的矿物层,称做Tetrataenite。但它在地球上并不存在,将成为一种优秀的新型磁性材料。小杉博士近一步分析了Tetrataenite的特点,由50%的铁和50%的镍组成,铁和镍原子交替排列,为规则的周期性晶体结构。它产生一种硬磁,即磁化方向不会轻易改变。著名的硬磁材料包括永久磁铁和混合动力汽车中发动机使用的材料。

  小杉博士的另一个重大发现:Tetrataenite在硬盘制造方面将是一种很有潜力的替代品。白金(Platinum)是下一代硬盘不可缺少的材料,但它是一种罕见的金属,价格节节攀升。目前对白金的需求已经超过了其生产能力。每年大约有2吨的白金被用于全球硬盘生产。如果铁和镍人工合成的Tetrataenite可以作为硬盘材料,那么白金的消费量将大大减少,从而促进资源节约和硬盘的低成本生产。

  Masato Kotsugi博士 Chiharu Mitsumata教授

  京都大学的北川浩教授(Hiroshi Kitagawa, Kyoto University)和九州大学的理惠博士(Rie Makiura,Kyushu University)进行了纳米尺度碘化银(AgI)粒子的研究。他们在世界上首次证实了室温条件下实现稳定的固体电解质的可能。这项研究成果因巨大的发展潜力而受到高度重视。论文2009年5月发表在英国科学杂志《自然材料》(Nature Materials)上。

  2004年,东北大学生命科学院研究生院的福田博士(Mitsunori Fukuda, Tohoku University)在分子水平上阐明了黑素细胞黑素的传输机制。2008年,他与理化学研究所(RIKEN)的横山教授(Shigeyuki Yokoyama)合作,在SPring-8上的BL41XU结构生物学I实验站成功地解析了Rab27B和Slac2-a的立体结构。他们确定的结构数据将极大地促进新的肌肤美白品和预防白发产生的药物研发。

  流感病毒由8个RNA基因组成,且病毒粒子表面还有两种类型的穗状蛋白:血凝素(HA)和神经氨酸酶(NA)。由于本身结构简单,病毒不能自我复制。但它们侵入人体宿主细胞后可利用人体细胞的复制系统熟练地进行复制。

  HA如一把钥匙,在与细胞表面的糖蛋白结合后,流感病毒便可侵入人体。NA则在子代病毒从细胞分离和释放中起着重要作用,是帮助病毒感染其它细菌的酵素。构成以上两种蛋白的氨基酸容易产生突变。迄今,科学家们已发现了16种HA和9种NA蛋白。这些蛋白质任意组合为多种类型的流感病毒(H1N1--H16N9)。例如,2009年流行的甲流感H1N1和1997年开始流行的H5N1病毒:禽流感。

  流感病毒共编码10种蛋白,其中RNA聚合酶在病毒基因复制中相当重要。它包括3个亚基:PA,PB1和PB2。当其中一个缺乏,RNA聚合酶就失去了酶的功能导致病毒不能复制。因此,如果能够确定这3种亚基组合的立体结构,就可以阻断RNA聚合酶的功能。

  美国“星尘号”飞船(Stardust Project, 1999-2007)把分散的怀尔德二号(81P/Wild)彗星尘埃样本收集并带回了地球,人们期望通过对这些样品的分析,获得关于彗星及整个太阳系46亿年前起源的信息。

  九州大学中村智城博士(Dr. Tomoki Nakamura, Kyushu University)对彗星尘埃进行了深入的研究。他利用SPring–8上BL37XU的X射线衍射实验装置和高能加速器研究机构(KEK)的同步辐射设施,分析和测定了构成尘埃的晶体类型和丰度比。之后,大阪大学研究生院的土山晃教授(Akira Tsuchiyama,Osaka University)利用BL47XU的CT扫描,实现了彗星尘埃的内部结构可视化。

  中村博士发现“陨石球粒”源于太阳系外的彗星尘埃,因此不能再用传统的太阳系形成模型解释。“陨石球粒”是古老陨石的主要组成成分,富含镁、硅和少量的铁。博士认为“球粒”的迁移发生在尘埃盘组成的原始太阳系中;但他表示将提高至少20个样品的分析精度,以获得具有统计意义的结论。他还将继续开展彗星陨石年代测量,确定迁移时间。预计新的太阳系形成模型即将建立。

  1985年发现的富勒烯形状特征——包含60个碳原子,如同一个足球——引起了科学界的广泛关注。1991年,发现柱状碳纳米管。2008年1月,名古屋大学北浦良副教授和筱原久典教授(Ryo Kitaura & Hisanori Shinohara, Nagoya University)成功地合成一种纳米级的金属丝。

  纯金容易发生氧化反应,但一根非常薄的纳米线可以稳定地存在于空气中,因为纳米尺度的材料有一个独特的稳定结构。为了观察纳米管的内部结构,北浦良副教授在SPring –8的BL25SU实验站进行了固体软X射线光谱实验。他观察到X射线对Er的吸收是唯一的,从而确定了ErCl3线形成于碳纳米管。

  日本东京大学和理化学研究所的相田卓三教授(Takuzo AIDA,University of Tokyo/RIKEN)被誉为世界上最富有想象力和最高产的高分子化学家。近些年来,他将SPring-8作为重要的研究工具,首先成功确定了一种新型导电石墨纳米管的结构。接着,他以坚实的证据表明石墨分子的亲水性和疏水性在疏水基紧密相连,形成管状螺旋的分子对。另外,他还成功设计了拥有分子间短程序的液晶相。这两项研究成果2008年都发表在美国化学协会杂志上(《Journal American Chemical Society》)。2009年,“盘状分子中的双连续立方液晶材料”设计荣登美国化学协会杂志的封面,他也因此获得美国化学学会高分子化学奖。

  在东京工业大学(Tokyo Institute of Technology)、日本海洋地球科学和技术署(Japan Agency of Marine-Earth Science and Technology)、日本同步辐射研究中心(JASRI)三方通力合作下,发现地球内核在最深部分的材料是六角密排结构的铁。金属铁在超高压和超高温条件下的状态,类似于使用超高压和超高温模拟的地球内核状态。科学家们利用SPring-8高亮度的X射线观察金属铁的单晶结构变化,第一次发现在高温高压极端条件下,六角密排的结构稳定。该晶体结构的解析有助于人们对地震观测的分析,大大加强了人们对地核形成及其发展变化的认识。这一成果发表在美国2010年10月15日的《科学》杂志上。

  日本北九州市立大学(The University of Kitakyushu)和JARSI的一个联合研究小组最近宣布:利用SPring – 8高亮度同步辐射,在BL03XU先进软材料、BL40B2结构生物学II实验站上解析了溶剂在凝胶状态下的分子结构。该研究成果得益于有机凝胶因子(organogelator,低分子量化合物)。只要在其中加入相当于1%的溶剂就能使整个溶剂发生凝胶,这将大大有助于预防海上石油泄漏造成的环境污染。论文在线月的《聚合物杂志》上。

  传统的光学显微镜分辨率受限于光的波长,而X射线万倍,分辨率达到原子级,也就是说可以观察到物质中单个原子的三维结构,X射线广泛应用于医疗、生命科学和材料科学等。但X射线光源(包括同步辐射)产生的光不甚均匀,波场不相一致;激光则利用一对镜子可产生均匀的光。这促使科学家们竭尽心力探索一种新的技术,实现无镜激光,即X射线自由电子激光(XFEL: X-ray Free Electron Laser)。XFEL是组合了自由电子态激光特性的X射线,被称为最有前途、最具科学探索和发现价值的未来新光源,亦被称作“梦之光源”和“科学时代的新曙光”。它同时拥有激光和辐射光的双重特性,可工作于整个X射线波段区,它在亮度、相干性和时间结构上都大大优于第三代同步辐射光源,被国际公认为是“第四代光源”的可行技术路线之一。

  美国、欧洲和日本都相继发展了XFEL,并提高到国家战略的高度予以部署和实施。美国斯坦福大学的直线加速器相干光源LCLS(Linac Coherent Light Source,Stanford Linear Accelerator Center, USA)已经在2009年出光,是世界上首个X射线自由电子激光装置。欧洲自由电子激光装置(European XFEL)由德国DESY和其它11个欧洲国家共同参与,核心工程为长达3.4公里的地下隧道,已于2010年7月1日正式动工,预计2014年完工,2015年将进行首次科学实验。

  2002年10月:完成短时高磁场线月:电子枪研制成功,发射率值为世界之最。

  SPring-8的X射线亿倍的光,而XFEL产生的光要比SPring-8还要亮10亿倍,脉冲比现有的X射线倍。更高亮度的光源使科学家们能够更真实地观察原子的三维结构和它们的超快速运动。

  电子束的原始品质决定了自由电子激光的质量。科学家们特制了一种超高压热电子枪,使用单晶铈—六溴硼化物阴极(CeB6, a single-crystal cerium-hexaboride cathode)来发细、准直性高、稳定的电子束。然后,其被输运到电子束压缩系统内,峰值电流将加强到几千安培。

  科学家们为了精确测量自由电子激光中的波动,分析了激光脉冲以每秒20脉的速度辐照氩原子的所有电子能。他们发现电子与多光子的吸收只发生在光强很高时,并澄清了在多光子吸收过程中共振态的重要性。该研究成果表明,在选择恰当的激光波长基础上相应的共振条件,利用X自由电子激光,可以促进纳米科学、纳米技术和材料制备的研究。论文发表在2010年9月24日美国物理学会的科学期刊《物理评论快报》上。

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