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西班牙同步辐射光源(ALBA)
2010-09-10 | 文章来源: | 浏览次数:  |

具有美丽名字的光源

在西班牙语中ALBA的意思是黎明,西班牙同步辐射光源取名ALBA,正如法国的太阳SOLEIL,英国的钻石DIAMOND,这些同步辐射光源的名字都那么美,无不充满了光明与希望。西班牙ALBA光源与上海光源SSRF,法国SOLEIL和英国DIAMOND光源同属世界第三代高性能中能同步辐射设施。

ALBA光源坐落于西班牙东北部加泰罗尼亚(Catalonia)自治大区巴塞罗那(Barcelona)城北20公里的加泰罗尼亚市(Cerdanyola),是加泰罗尼亚、西班牙,以及整个西南欧历史上第一个大科学装置。在面积60公顷的ALBA科技园区内,这个直径140多米的崭新环状同步辐射设施堪称一座设计新颖、独特的现代派建筑。它的外形别出心裁地似一只熠熠闪光的蜗牛。

由同步光源开放联合会CELLS(Consortium for the Exploitation of the Synchrotron Light Laboratory)负责建设和运行,西班牙政府和加泰罗尼亚政府提供资金。

 

ALBA光源鸟瞰

 

如其它光源一样,ALBA光源不仅是超级的科学研究工具,也是向本国和全世界政府机构、研究团体和企业开放的大型服务平台。它现已建成7条先进的束线站,预计最终将建33条,为1000多位研究人员提供强有力的实验条件和手段,进行诸多最前沿和战略性领域的研究:生命科学、医学、环境科学、能源、材料科学、微电子学纳米技术等,尤其将引领蛋白质、病毒、细菌等结构生物学研究,新药生产,工业用新材料设计。它为挑战技术创新、发展以科学驱动的新产业创造了良好的机遇。

 

ALBA光源将极大地促进西班牙,特别是加泰罗尼亚大区向知识型、创新型经济的发展,并有望使之成为整个西南欧的科学与技术中心。ALBA的建成,无疑是西班牙迈出了具有决定性意义的一步,表明科学产出位居世界第九的西班牙从此进入了国际尖端科技的先进行列。

ALBA光源夜景

历史沿革

1990年:西班牙放弃T-粲物理(Tau-charm Factory)项目的建设,构思建造同步辐射光源。因为西班牙作为欧洲核子中心CERN、欧洲分子生物实验室EMBL等组织成员,已经成为欧洲国家中使用同步辐射光源最大的用户之一,但西班牙本土并没有一台类似的装置,科学家们不得不申请到其它国家开展研究。西班牙参加了在法国格勒诺布尔(Grenoble)的欧洲同步辐射设施ESRF的建设,并拥有2条束线站:BM25和BM16。其中,加泰罗尼亚大区在BM16上占有50%的股权,同时承担运营费。然而,有限的使用光源时间限制了科学家们的工作创新,也遏制了本国科技的发展。

1992年6月:加泰罗尼亚政府派专家组调研在巴塞罗那地区建设同步辐射光源的可行性。年底提交了第一份调研报告。

1993年:选址确定。选择加泰罗尼亚的主要原因有三个:其一,毗邻位于贝拉泰拉(Bellaterra)镇的巴塞罗那自治大学UAB(Universitat Automoma de Barcelona)的主校园区。该校创建于1968年,是一所年轻的现代化综合性大学,拥有4万名学生和4000名研究人员和教授。其中,科研和经济企管类最著名,排名全国第一。其二,加泰罗尼亚自19世纪后期即成为工业中心,是西班牙最富裕的地区之一。其首府巴塞罗那是欧洲第六大城市,西班牙最大港口和第二大城市,也是全球重要的文化中心与旅游胜地。汽车、化工、食品、生物科技、信息通讯技术和音像业是该区的优势产业。它拥有众多国际一流水准的研究机构,特别是在信息新技术、生物科技等领域,诸如:巴塞罗那科学园,巴塞罗那生物医药研究园。目前,它的科学产出占全国的25%,具有创造知识的巨大潜力。其三,该区国内外交流甚多,与国际顶尖团队有良好的合作。

A处:巴塞罗那自治大学

1994年:召集人员开始进行2.5GeV同步辐射光源的概念性设计。

1997年:历时3年,设计完成。

2002年3月14日:西班牙政府科研和创新部与加泰罗尼亚自治政府达成正式协议:为了加强本国科研基础设施建设,建设世界一流的3GeV大型光源ALBA。

2003年3月14日:组建同步光源开放联合会CELLS,负责ALBA光源的开发和管理,由西班牙政府、加泰罗尼亚自治大区和一些大学、企业共同参股。前期投资(2003-2008年)原计划为1.63亿欧元,包括5条线站建设、人员和运行费;后因增建2条束线站,升至2.01亿欧元。同时,期限延期1年;预计年运行费大约为1600万欧元;到2020年,政府将翻倍投资,达到4.2亿欧元。

2003年:任命了CELLS总经理(Joan Bordas)和五个部门主管,并在梅诺卡岛(Menorca)召开了第一届用户会议。

2004年:经过多次商讨,听取了马拉加(Malaga)第二届用户会议的意见,储存环重新进行设计。基建实地调研开始。

2006年5月:ALBA主体工程开工。

2008年:开始安装增强器和储存环。

2009年12月21日:测试开始,ALBA增强器第一次出光。

 

First operational test of the Booster accelerator of ALBA

2010年3月22日:西班牙首相罗德里格斯·萨帕特罗(Rodriguez Zapatero)和加泰罗尼亚自治大区首长Montilla先生主持ALBA光源开幕式,共有500多位嘉宾出席。

Inauguración del Sincrotrón ALBA

ALBA开幕式

2010年:建成7条光束线站,雇员达160人,年底对外接待第一批用户。

 

装置简介

ALBA光源的硬件设施共分3个主体建筑:技术楼(7600平米)、大厅(18500平米)和人员宿舍翼楼(4000平米)。

 

大厅内景

办公区域

ALBA示意图

 

ALBA光源安装在环形大厅内,由注入器、增强器和储存环3大部分和其它配置设施组成。

注入器:为直线加速器。电子在5000万瓦的射频功率下加速,能量至100MeV。

1st_section_picture

注入器

 

增强器:为环形加速器,周长249.6米。利用高频电磁场将电子束继续加速至3GeV。从进到出增强器,此过程仅需160毫秒。

ALBA隧道(左为储存环;右为增强器)

储存环:周长268.8米。电子束在其中以99.999999%接近光速的速度连续运转几小时。当偶极磁铁迫使电子束作曲线运动时,电子束即产生同步辐射光。ALBA光源产生世界上最精细的同步辐射光,电子束大小比1毫米的1/10还要细。储存环中共配置32个弯转磁铁、128个四级铁、120个六级铁和100多个安装在六极铁中的准直器。

弯转磁铁

 

四极铁与六极铁

完成组装的磁铁单元

ALBA加速器的部分参数

应用领域及线站

· 材料科学:研究催化中的化学反应,材料在不同压力、温度、电场和磁场中的变化。

· 化学和结构生物学:发现并建立诸如蛋白质、核酸等生物大分子的新结构。

· 物理:同步辐射光可用于研究微电子器件、纳米设备、移动电话中纳米单位级的微小部件,如:1毫米的百万分之一。

2005年6月30日,CELLS理事会授权科学顾问委员会负责建设和监管第一阶段的7条光束线站,优先开展材料科学、物理、化学和生物领域的研究。

ALBA储存环插入件的分布示意图

1.BL22-CLAESS:X射线吸收光谱,2009年5月更名为核心层吸收和发射光谱。电子束覆盖2.4至65keV能量范围。2010年7月,正在进行束线站控制软件编程。

mpw80

多极扭摆磁铁

BL22示意图

2.BL04-MSPD:材料科学和粉末衍射,建2个终端实验室,致力于高分辨率粉末衍射、高压粉末衍射和单晶衍射研究。光子能量覆盖范围8-50KeV,光子束大小:1.5x5-0.010x0.040平方毫米。

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BL04示意图

3.BL13-XALOC:生物大分子结晶学,用于结构生物学研究。自动换样机已成功通过现场验收测试,主要数据采集器(皮拉图斯600万)与DECTRIS签署采购,光学计量的垂直聚焦镜完成了调试。

BL13 - XALOC:样品的自动换

BL13的自动换样机

4.BL11-NCD: 非晶体衍射。

BL11-NCD: A section of the optics.

BL11的非晶体衍射光子学研究设备

5.BL24-CIRCE:光电子发射能谱和显微学束线站,属软X射线的极化。平面光栅单色仪覆盖100-2000eV的能量范围,建设2个终端实验室。

PEEM:光电子发射能谱电子显微,致力于表面科学和纳米结构研究。

NAPP:周围环境压力光电子能谱,致力于化学反应,液体表面和其他超高真空条件下的棘手问题。

circe-2009-12

BL24线(2009年12月)

First image obtained with the ALBA PEEM

PEEM在电子光学测试中获得的第一幅图像(视场约20微米)

6.BL29-BOREAS:共振吸收和散射束线站,属软X射线极化。将建两个终端实验站:磁二色性(XMCD/XMLD)和共振软X射线散射(RSXS)。2010年2月8日开始安装主要元件。

BL29 Optics Scheme

BL29示意图

7.BL09-MISTRAL: 软X射线显微。致力于在冷冻温度下,270 eV至2600 eV的厚生物样本传输的全方位成像,能够在几分钟内纪录断层数据集和50纳米级空间分辨率。平面光栅单色仪、镜子已安装。低温TXM工厂验收测试2010年6月结束。

PGM picture

平面光栅单色仪

2009年底,ALBA研讨了第二阶段准备建设的光束线站,有以下8个计划项目中标:

AIBA:成像与生物医学应用

MIRAS:红外显微光谱

LOREA:复合材料的低能超高分辨率小角光电发射

高分辨率和微聚焦X射线衍射

单晶和散射能量

TBA:用于教学

微聚焦XANES衍射

微聚焦大分子结晶学

 

未来展望

ALBA科技园是加泰罗尼亚地区最大和最重要的战略性项目,旨在成为南欧科学和技术技发展的重要推动力。它以ALBA光源为中心,周边环绕巴塞罗那自治大学、研究园、技术园和创新园,总面积将达到340公顷。2009年,共注入资金1.2亿欧元用于基础和生产设施的建设,2010年又增加2500万欧元。

至今,虽然ALBA同步辐射装置是ALBA科技园中唯一的大科学装置,但已有170多家企业和技术中心根植于此。其中,第一座商业楼宇——金融机构La Caixa银行的两个技术中心——正在建设,它将带来近2亿欧元的投资。

这片面积广大的园区将逐渐发展成为科学设施的基地和工商业活动的中心,汇集4万高素质人群,1万居民。并且,正在建设的生态走廊和城市公园系统将保持人与自然的和谐:保护生态系统、恢复退化土地、界定180公顷的绿色地带。

ALBA工业园

1.ALBA光源  2. 科研和技术转让中心   3.知识密集型园区

4.联运站   5. 巴塞罗那自治大学   6、7.科技园

通向ALBA光源的大道

从巴塞罗那城到加泰罗尼亚市有675公顷土地亟待发展,巴塞罗那城市规划署对其将分为3个阶段进行开发,使其成为战略性经济、社会和生态发展高度集中的整体。这早在1976年就已列入西班牙国家5大战略性地区发展计划。

2006年,欧洲科研基础设施战略论坛 ESFRI(European Strategy Forum on Research Infrastructures)第一次制订欧洲科研基础设施发展路线图,共35个项目。2008年进行了更新,项目增至44个。2010年3月23和24日,第六届战略论坛在西班牙的巴塞罗那召开。根据此次会议的精神,2010年12月将出版全新的欧洲至2020年发展线路图,主要致力于能源、食品和生物领域的研究。这些科研基础设施包括程序库、数据库、生物档案软件、通讯网络、考察船、卫星和导航中心、沿海观测站、天文望远镜、同步辐射和加速器。

西班牙的大科学装置,无论是正在运行的或正在建设的,毋庸置疑,ALBA光源当属之首。

高能所科研处 中国科学院大科学装置办公室

资料来自:http://www.cells.es/


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