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英国“钻石”同步辐射光源(DIAMOND)
2010-08-10 | 文章来源: | 浏览次数:  |

DiamondLogo

璀璨夺目的“钻石”光源

英国第一台第三代同步辐射光源DIAMOND坐落于英国南牛津郡(South Oxfordshire)迪德科特镇(Didcot)。它的名字来源有两种说法:一种说法是该项目的发起人迈克普尔(Mike Poole)由DIpole And Multipole Output for the Nation at Daresbury(国家在达斯伯里的偶极和多极输出)的缩写构思了DIAMOND这个名字;另一种说法是DIAMOND表达了同步辐射光既硬(指“硬”X射线的电磁波谱区)又明亮,就像“钻石”。不管哪种说法更准确,与法国“太阳”光源(SOLEIL)相比,英国“钻石”光源(DIAMOND)的名字毫不逊色,DIAMOND光源就像钻石那样璀璨夺目。

DIAMOND光源的紫外线和X射线具有远非常规光源可比的品质和亮度,其亮度为医用X光机的1千亿倍,科技工作者用它将能更深入地研究物质、材料及生物样品的基本结构。利用同步辐射技术开展的科学实验,可望在生物技术、医学、环境和材料研究中取得突破性进展。

   

 

英国南牛津郡的迪德科特镇

DIAMOND光源鸟瞰

2002年,英国政府批准建造DIAMOND光源,其辐射能量及光束性能首先被优化为高能的欧洲同步光源ESRF的补充。它的主要目标是生成高亮度、高强度的可调光源,建成英国第一的研究基地,开展不同学科领域交叉学科的研究。

DIAMOND是40多年来英国投资兴建的最重要的大科学装置和最大的民用科研基地,由英国科学和技术设施委员会STFC的中心实验室研究理事会CCLRC( Council for the Central Laboratory of the Research Councils)与英国最大的生物医学研究慈善机构——威康信托基金会(Wellcome Trust)共同建设,双方各投资86%和14%。

DIAMOND占地面积相当于5个足球场,2007年建成后,逐渐取代1980年建在切希尔(Cheshire)达斯伯里实验室(Daresbury Laboratory)的世界第一个第二代同步辐射装置SRS(Synchrotron Radiation Source)。

从“第二代”到“第三代”

显微镜可用来研究人类肉眼所不及的东西,但显微镜受限于使用的光的波长。光学显微镜可用于研究几微米(0.001毫米)的事物,如:细胞。研究像分子和原子这样更小的物体,则需要借助如X射线类波长较短的光。

DIAMOND光源的波长范围

英国第二代同步辐射光源SRS(Synchrotron Radiation Source)光源是1980年建造的,能量为2GeV,SRS位于柴郡的达斯伯里(Daresbury)。SRS由CCLRC负责开发和管理,造价2亿英镑,每年的运行费为2000万英镑。它的储存环周长仅为96米,能容纳30多条光束线站/实验室。它为英国和国际诸多前沿科学:物理、化学、材料、医药、地质和环境,以及结构基因组学和考古学的研究提供了尖端的技术支持。

达斯伯里实验室

 

AMfig5.jpg (14384 bytes)

SRS示意图

众多日常生活品都曾在这里经过科学家们的认真观察和研究:巧克力、洗发水、冰激凌、联合利华的洗涤剂、便携式媒体播放器Ipods、新药、薯片和果酱的包装,还有清洁能源、飞行安全等。最为著名的成就是英国科学家约翰·沃克(John E.Walker)与另两位科学家共获1997年诺贝尔化学奖。他的贡献是以 X 光谱研究确定了ATP(三磷酸腺苷)的三级结构,为人类研究代谢疾病和再生开辟了新途径。他的研究是在SRS上进行的。

File:Synchrotron Radiation Source (SRS), Daresbury Laboratory - geograph.org.uk - 954449.jpg

SRS实验大厅

 

SRS运行20多年来,接待了来自本国、欧洲和世界25个国家的政府机构、科学院和工业界上万名用户,每年执行600项实验,培养500名博士后,在一流期刊发表超过5000篇的论文,解析超过1200个蛋白结构并获得多项专利。

2005年3月7日,英国政府宣布将在2008年12月对SRS彻底停止拨款。而由于DIAMOND的建成和良好运行佳绩,2008年8月4日,经过28年2百万小时运行的SRS退役了。

英国在结构生物学、物理化学、新材料、磁学、纳米科学、光学和环境科学等关键领域具有世界级的顶尖实力,开展这些领域的研究,广谱高亮度的同步辐射光源是必不可少和独一无二的工具,因为只有这样的光源才能详尽准确地“录制”物质分子和原子级的内在结构和活动。国际上领先的3台高能同步辐射设施分别是位于法国格勒诺布尔(Grenoble)的欧洲同步辐射设施ESRF、美国的APS和日本的Spring-8。尽管英国占有欧洲光源ESRF约14%的运行时间,但仅能满足英国科学家们一小部分需求。正是在这样的背景下英国政府下决心建设第三代同步辐射光源。

三代光源DIAMOND的亮度比二代光源SRS至少高1万倍,比太阳光高100亿倍,比医院标准的X光机高1000亿倍,比普通光源高百万、甚至上亿倍。光的波长范围也更广,由穿透力很强的硬X射线、软X射线、紫外线、可见光到远红外辐射。电子束在储存环中的能量加强至3GeV。同步辐射光通过棚屋的电子单色仪被引进各个控制台和实验站。科学家可以通过光在物质内部的反射、折射和吸收情况,直接观察生命现象和物质运动,扫描出以微米计(百万分之一米)的影像,深入了解在分子和原子尺度上生命与物质的特性、结构和相互作用,为人类揭开宇宙、自然和自身的奥秘提供了重要的、不可或缺的工具,为科学家们的研究达到难以置信的细微和详尽程度提供了强有力的武器。

DIAMOND(3 GeV)与上海光源SSRF(3.5 GeV)、法国SOLEIL光源(2.75 GeV)和西班牙ALBA光源(3 GeV)同属目前世界上性能最好的第三代中能同步辐射光源。

发展历程

1993年,Woolfson教授在报告中阐述了在英国建造第三代同步辐射光源的必要性和重要性,迈出了实现DIAMOND光源的关键一步。

关于DIAMOND的建设地点有一场激烈的讨论,究竟是建在SRS所在地——柴郡的达斯伯里,还是建在南牛津郡的迪德科特?当时,法国也对共同建造这一项目有着浓厚的兴趣,直至2000年才决定在巴黎近郊独立建造Soleil光源(2006年12月底开放)。最终英国政府决定定址迪德科特。

2002年3月DIAMOND启动建设。英国科学和技术设施委员会STFC和威康信托基金会的合资公司——英国DIAMOND光源有限公司成立,负责光源的开发和运营。建造世界级的新型同步辐射设施的十年梦想终于开始成为现实。

2003年3月12日,英国30年来最大的科学研究装置——总投资2.35亿英镑的DIAMOND光源正式动工。

2006年5月5日DIAMOND成功获得第一束同步辐射光,7月13日英国政府正式宣布测试成功。

2007年1月DIAMOND如期启动,7条线站投入使用,包括极端条件线站、材料和磁力学线站、3条分子晶体学线站、纳米科学线站等,其中两条专门用于生命科学和医药研究。2007年2月开始接待第一批使用客户(共收到139份用户申请),包括来自达勒姆(Durham)、牛津(Oxford)、莱斯特(Leicester)和伦敦(London)的顶尖学术团队。

2007年10月19日,英国女王伊丽莎白二世正式为DIAMOND光源剪彩揭幕。2007年的运行费为0.23亿英镑。随着光束线站实验室的逐渐增加,运行年费将继续增加。

女王参观DIAMOND光源

DIAMOND的二期建设预算在2004年10月就已确定,1.2亿英镑用于进一步建设15条光束线站实验室和探测器的发展,将在2011年全部完成。之后平均每年将建2-3条光束线站,以期最终达到总容纳量40条。即使DIAMOND每天运作24小时,也很难满足所有申请的客户,大约10%的光束运行时间出售给工业用户。

目前,DIAMOND共有雇员350名,其中,技术部负责设施维修人员165人。DIAMOND的有效运行时间每年为5000小时,预期运行30年或更长一些时间,每年接待约2000名用户。90%的用户是科研机构,其余是企业用户。

英国政府2010年3月30日宣布了DIAMOND的三期预算。DIAMOND光源科学咨询委员会在此3年前就建议再建5条对英国科学和技术产生战略影响的高端线站。

结构探秘

DIAMOND安装在环形大厅内,玻璃屋顶与墙体由2000根柱子支撑,钢筋混凝土的地基厚1米,以确保储存环在整个安装和运行过程中达到微米精度所要求的稳定性。注入器、增强器和控制部分位于中央区,工作人员用房和针对多学科不同需求设计的实验室位于外围和附近的建筑物里。

 

 

DIAMOND光源主建筑

 

Schematic of a synchrotron showing the linear accelerator, booster synchrotron and storage ring.

结构示意图

DIAMOND包括注入器、增强器、储存环3个粒子加速器。

1.注入器,直线加速器,加速电子能量达到0.1GeV。

 

注入器

2.增强器,配置36个双极弯转磁铁。利用高频电磁场将电子加速到接近光速。同时在磁扰动的影响下,电子以同步辐射光的形式释放出能量,电子束能量达到3 GeV。

增强器

3.储存环。储存环直径235米,周长561米,电子束继续被注入储存环,在强大导向和聚焦磁铁引导下高速运行,每秒钟绕地球7圈半。

储存环

超导高频腔

六极铁

插入件安装在储存环的22个直线段中,它使电子作扭摆运动,以产生更强烈的可调谐光。

 

插入件U21           插入件HU64

插入件——低温真空内混合波荡器  

插入件——超导波荡器

4.光束线站。同步光的电磁谱覆盖红外线、紫外线和超强X射线。光束被弯转磁铁引导穿过储存环墙引入实验线站。

光束线示意图

 

B22 layout

光束线I20的平面布置图

 

光束线站由4个主要部分组成:

前端:从储存环出口处引出光束。

棚屋:一定波长的光在这里被选择、聚焦。配备单色器、反射镜、狭缝、滤波器和透镜组等各种光学部件。

线站实验室:配备样本位置远程调节器、探测器等各种实验仪器,用于观察样品,用X射线照相机检测X射线与样品的相互作用。

监控室:用户从各方面操纵设备,监视和控制实验的每一环节,同时收集并分析实验数据。

 

 

前端区(I12、I19)

 

光学棚屋      

 

Brian Ritchie 拍攝的 Diamond beamline - PEEM。

光电显微镜实验站(PEEM)

用户控制室(I11)

DIAMOND光源同步辐射技术主要分为三个类别:衍射(和散射)、光谱和成像。不同的光束线站实验室可以开展不同类型的实验,具有不同的实验性能。

DIAMOND同步辐射光源设计有30个光引出口,光通过光束线被引到各个实验站提供给实验者。多个学科的科学家可开展从寻找新物质(如机翼所用材料)、新医药以及进行解决各类环境问题的研究。

 Beamline scientist Fred Mosselmans examining a fragment of the Mary Rose

在实验站做实验

束线分布示意图


 

线站编号和名称

主要技术

能量-波长范围

状态

I02-大分子体学

大分子结晶术,MAD

5-25 keV

运行中

I03-大分子晶体学

大分子结晶术,MAD

5-25 keV

运行中

I04-大分子晶体学

大分子结晶术,MAD

5-25 keV

运行中

I04-1--单色仪MX

大分子结晶

13.53 keV (0.9163 Å– 固定波长)

优化模式

运行中

I05-ARPES

 

 

设计阶段

I06-纳米科学

X射线吸收光谱,

X射线图片传送显微镜,

X射线磁力圆形和线形二色性

第一谐波:106-1300eV

线性水平:80-2100eV

线性垂直:130-1500eV

 

I07-表面和

内表面的衍射

表面X射线衍射,

掠射X射线衍射(GIXD), 掠射小角X射线散射 (GISAXS),

X射线反射 (XRR)

6-25 (30) keV

优化模式

运行中

I08-软X射线显微

 

 

设计阶段

I09-表面和

内表面的衍射

 

 

完成期限: 2012年10月

I10–先进的二色性实验线站 (BLADE)

软X射线共振散射,

X射线吸收光谱,

X射线磁力圆形和线形二色性

400 - 2000 eV

第一批用户: 2010年12月

I11-高清晰粉末

衍射 

X射线粉末衍射

5-30 keV (0.4-2.5 Å)

运行中

I12-联合工程,环境和加工(JEEP):

成像和断层造影,

X射线衍射,

小角X射线散射(SAXS), 单晶衍射, 粉末衍射

50 - 150 keV

优化模式

运行中

I13-LX射线成像和其他相关衍射成像

相位称度成像,

断层造影术

 

第一批用户: 2011年10月

I15–极限条件

粉末衍射, 单晶衍射

 

运行中

I16–材料和磁力学

衍射、散射和光谱

3.5 - 25 keV

运行中

B16–线站测试

衍射、成像和反射仪

聚焦单色:4 - 20 keV

非聚焦单色:4 - 20 keV

运行中

I18–微聚焦光谱

X射线吸收光谱 (XAS),

扩展 X射线吸收精细结构,荧光断层造影术

2 - 20 keV

运行中

B18–核心EXAFS

XAS

2.05 – 35 keV

优化模式

运行中

I19–小分子

单晶衍射

小分子单晶衍射

5-25 keV/0.5-2.5 Å

运行中

I20-LOLA:

X射线光谱

X射线吸收光谱(XAS),

能量色散 (EDE),

X射线散射光谱

色散: 6-26 keV

散射: 4-34 keV

建设中

B21–高通量 SAXS

 

 

设计阶段

I22–非晶体衍射

非晶体衍射:SAXS, WAXS, ASAXS, USAXS

3.7 - 20 keV

运行中

B22–红外微光谱

红外微光谱

1.2 eV - 2.4 meV

优化模式

运行中

I23–长波 MX

 

 

设计阶段

B23–圆二色光谱

圆二色光谱

单色模式:2-8 keV

使用白光散色模式能量:5-8 keV

运行中

I24–微聚焦 MX

(膜蛋白实验室)

MAD

6.5 - 25.0 keV

运行中

 

大型衍射仪(I11实验站)

双晶单色仪

研究领域

DIAMOND向国内和国际的科学家、工业企业界开放,广泛开展应用于生物学、基础物理和化学、新材料科学、工程、饮食和考古文化等多领域的活动,尤其支持生命医学、物理和环境科学等方面的突破性研究。在设计之初就规定DIAMOND光源将优先满足结构生物学发展的需要,目前结构生物学研究比例占到40%左右。

对生物大分子的三维结构的观察,可以揭示分子结构和功能的关系;对病毒外壳蛋白、癌症基因及其表达物等病原三维结构的详细了解,有助于发明可以阻断病原对细胞感染或抑制其致病功能的药物;物理学家利用同步辐射光,可以清楚地看到材料中原子的精确构造和电磁结构参数等,了解材料性能,以开发新环保材料。

地球学家可以利用这个设备模拟地球中心的条件、状况,获悉物质和材料对高温高压的反应,在分子、原子层面的状况。当然,同步辐射也可以用来改善巧克力的口味,因为味道的原子构造在第三代同步辐射光源下可以一览无遗。

研究成果与研究课题

没有同步辐射光源很多研究难以开展,DIAMOND的研究课题涉及了多个重要领域:

¨抗流感药物——乐感清的研制。

¨确定F1 ATP(三磷酸腺苷)酶结构(获1997年诺贝尔化学奖)。

¨成功解析手足口病病毒结构,研制预防手足口的疫苗。

¨研究非核苷抑制剂,使之成为下一代非核苷艾滋病病毒HIV 的抗逆转录病毒的基础。

¨研究致命疟疾寄生虫在活性红细胞中的生命周期,以研制新药抵抗疟疾。

¨在亚洲湿地进行砷的检测和分析,这是控制环境的重要工作。

¨纯可可实时结晶,寻找巧克力生产的最佳条件。

¨实现只要一开机,电脑就能使用的理想。

¨有助揭开重大的历史之谜。比如:贝多芬是否中毒身亡?通过X射线荧光分析法,研究贝多芬的毛发和头盖骨碎片样本。

¨使用强X射线穿透如机翼般的复杂大工程结构,分析机件状态,精确快捷地探测金属疲劳,改善飞机涡轮和机翼的素质,可大大减少因金属疲劳导致的航空事故。

¨用于研究高压下钠结构和磁材料的内在特性。巨磁电阻现象现已在某些便携式MP3播放器上使用。

¨利用同步辐射进行基础研究,开发抗流感药物达菲。

¨解析手足口病毒结构。

¨监测美国世贸中心地面零度以下空气。

¨研究死海的退化。

¨探讨原子和分子尺度的材料性能。

¨对艾滋病HIV病毒的研究。

在膜蛋白实验室(MPL)做实验

Structure of  the hydantoin permease Mhp1

Crystal structure of a central stalk subunit c and reversible association-dissociation of vacuole-type ATP-ase.

Crystal structure of the native chaperonin complex from thermus thermophilus reveaked unexpected asymmetry at the CIS-Cavity

Structure and mechanism of the lactose permease of Escherichia coli.

 

在DIAMOND膜蛋白实验室解析的膜蛋白结构图

Isentress (Raltegravir) bound to the active site of the integrase-DNA complex

整合酶结构

科学家用DIAMOND确定了一种整合酶的结构,它被艾滋病病毒和类似病毒用来复制自身的遗传信息到宿主的DNA中,解决了艾滋病HIV病毒如何进入人的身体的重要问题。通过阻断整合酶,医药学家开始研发抗逆转录病毒药物。对整合机制的清楚认识,将能更有效地治疗艾滋病。这项研究发表在Nature杂志上。

莱斯特大学从事凝聚态物理研究的克里斯·宾斯教授使用纳米光束对磁性材料摄影,用来制造高性能的计算机硬盘。

牛津大学的戴夫·斯图尔特教授领导的小组探索人类细胞外层细胞膜内的一对分子的结构。这对分子释放出的信号能控制分子的分裂和发育。

DIAMOND光源可极为精确地扫描和检测重达两吨的大型文物。大英博物馆的考古学家对一组半人高的神秘古埃及青铜雕像展开研究,揭开其制造工艺之谜。这些神秘的雕像是用很多不同部分连接起来的,由于连接处天衣无缝,只能用高强度X光才能穿透它们,分析它们是如何制造的,帮助解答有关最早用于制作这些雕像的技术和材料,提供19世纪是如何对雕像进行修复的相关信息。

古埃及雕像

自然历史博物馆的保罗·斯科菲尔德教授领导的小组研究1875年在巴西的海岸发现的一颗陨石的分子结构。科学家认为这颗陨石是1.4亿年前从一颗小行星上脱离并在1万年至10万年前坠落到地球上的。

大型研究基地

负责开发和运营的“DIAMOND光源有限公司”的首席执行官迈特里克说:“DIAMOND不光是一台机器,实际上,它是跟英国的学术界和企业用户共同营造一个充满活力的科研基地,它的科研成果必将恩泽后代。”DIAMOND的目标是建成英国第一的研究基地,开展不同学科领域交叉学科研究。DIAMOND对科技的贡献,很难用商业价值来估量。

英国政府在大型科学设施发展路线图中部署了依托大科学装置群建设综合性科学研究中心的计划。随着达斯伯里科学和创新园DSIC和哈威尔科学和创新园HSIC两个国家级科学和创新园的投资兴建,英国的科学发展进入了一个崭新的时代。

*      

*       英国的国家级科学和创新园DSIC和HSIC

达斯伯里科学与创新园DSIC

达斯伯里科学和创新园DSIC(Daresbury Science and Innovation Compus):为了保证第二代光源SRS所在地达斯伯里地区(Daresbury)的经济活力,科学和技术设施委员会STFC和英国西北大区发展社(North West Development)合作,创建了达斯伯里科学和创新园DSIC,包括科克罗夫加速器科学和技术研究所(Cockcroft Institute)、新兴的达斯伯里创新中心(Daresbury Innovation Center)等上百个高技术企业。另外,大学校以及当地的工业机构也积极参与进这个项目,特别是曼彻斯特(Manchester)、利物浦(Liverpool)和兰开斯特(Lancaster)大学,以吸引更多的高科企业来此发展。

 

哈威尔科学与创新园HSIC

哈威尔科学和创新园HSIC(Harwell Science and Innovation Campus):哈威尔正是DIAMOND光源所在地。该园区隶属英国原子能管理局(United Kingdom Atomic Energy Authority)、科学技术设施委员会STFC(Science and Technology Facilities Council)和健康保护社HPA(Health Protection Agency)。1990年初,随着卢瑟福·阿普尔顿实验室(Rutheford Appleton Laborary)的突破性科研成绩,哈威尔逐渐成为一个蓬勃发展的科研、工业和商务中心,一个用户和众多科研设施高度集中的地区。它占地300公顷,共聚集了100多个组织的4500多名工作人员。其中,包括卢瑟福·阿普尔顿实验室的世界最大的脉冲散裂中子源ISIS、中央激光设施CLF、空间科学与技术研究装置、气象雷达观测站,以及医学研究委员会等。该区逐渐形成了有利于发挥最大科学优势和效益的布局。如今,HSIC已经成为5亿英镑的世界投资中心,而DIAMOND光源就是科学与创新这顶皇冠上闪亮的钻石。

高能所科研处中科院大科学装置办公室资料来自http://www.DIAMOND.ac.uk/http://www.lightsources.org/http://www.stfc.ac.uk/http://www.harwell.org.uk/http://www.sciencevale.com/harwell/


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