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日本大型同步辐射光源SPring-8
2011-03-31 | 文章来源: | 浏览次数:  |

  能量最高的第三代光源/历史回顾/结构探秘/光束线和实验站/重大研究成果/展望未来 

 

  一、世界上能量最高的第三代同步辐射光源

  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。

  1991年,在日本文部科学省MEXT(Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology)的领导下,日本原子力研究所JAERI(Japan Atomic Energy Research Institute)和理化学研究所RIKEN(The Institute of Physical and Chemical Research)开始共同负责建造SPring-8。首期建设成本约为1100亿日元,土地由兵库县无偿捐赠。在该县政府、县立大学和各研究所、商业企业的联合支持下,工程于1997年竣工,设施开放,由日本同步辐射研究机构JASRI(Japan Synchrotron Radiation Research Institute)负责管理,包括光源的运行、维护、改造、用户服务、科技研发等。JASRI是SPring-8唯一法定管理机构,属私立非盈利性,雇有员工1000多名,其中80%为研究和技术人员。自1997年10月正式启用至2010年,SPring-8共建成55条光束线站,服务日本及全世界科学、工业、企业界超过10万人次。

  日本Spring-8与美国阿贡国家实验室的先进光子源APS(Advanced Photon Source,Argone)、法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射光源ESRF(Europe Synchrotron Radiation Facility,Grenoble)同为世界三大高能(电子束能量超过5GeV)大型同步辐射设施。

   

  SPring-8的地理位置图(图片来自Google)

  SPring-8应用于诸多科学和医疗领域的研究,如:

  * 材料科学:研究先进材料的原子和电子结构、极端条件下的材料特性等;

  * 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;

  * 化学:催化作用下的动力学,原子和分子光谱,超微量元素及其化学性质; 

  * 环境科学:分析环境的催化剂,生物样品中环境污染的痕量元素; 

  * 地球和宇宙科学:分析地壳深层物质的结构和特性,陨石和宇宙层的结构; 

  * 工业和核物理:运用光子能研究夸克核物理等。

  SPring-8鸟瞰

File:SPring-8 2007 12img pano.jpg

  围山而建的SPring-8储存环

  链接:SPring-8的一些具体数据 

  * 面积:占地141公顷,比甲子园棒球场(Koshien Ballpark)大36倍,比东京圆顶体育场(Tokyo Dome Stadium)大30倍,比东京迪斯尼主题乐园(Tokyo Disneyland Theme Park)大2.8倍。大储存环直径457米,比四个足球场的长度还要长一些,周长约1436米。 

  * 运行经费受经济危机的影响,几乎逐年削减:

  * 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。 

  * 耗能:由关西电力株式会社公司(the Kansai Electric Power Co. Inc.)提供专用高压电力。2009年,年消耗电力1.78亿千瓦,相当于4.9万家庭年平均用电,耗资1.9亿日元;天然气由大阪燃气有限公司科技城分部(the Technopolis Branch of Osaka Gas Co. Ltd)提供,2009年使用了131万立方米,相当于3300个普通家庭的用气,耗资8千万日元;水由三城城镇供水和污水处理办公室(Three City-Towns’ Water and Severage Office)负责,2009年用水28万吨,同650个家庭1年的用水,耗资1亿日元。 

  二、历史回顾

  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。 

  1989年6月:选址在兵库县的播磨科学花园城。 

  1990年12月:成立日本同步辐射研究所(JASRI)。 

  1991年11月:SPring-8工程动工。

  1993年5月: SPring-8用户协会成立。

  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”。 

  1997年3月:同步辐射第一次成功出光。 

  1997年10月:工程竣工。光源开放。 

  1998年3月:第一届SPring-8用户研讨会召开。 

  1998年5月:束流为100mA的电流在储存环成功储存。 

  2000年6月:第一条签约的光束线站开始运行。 

  2000年8月:安装25米长的波荡器。 

  2005年10月1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”。

  2007年3月:选举JASRI为促进设施使用的唯一注册机构。

  2007年10月:举行盛大的仪式和座谈,庆祝光源成功运行10周年。

  2009年6月:SPring-8接待自开放以来的第10万名用户。

  三、结构探秘

  SPring-8的加速器主要由四部分组成: 

  * 注入器,直线加速器Linac,1GeV; 

  * 增强器,Booster,8GeV;

  * 大储存环,Storage Ring,8GeV,用于高亮度X射线; 

  * 小储存环,NewSUBARU,1.5GeV,用于中型短脉冲软X射线。

  1.注入器(Linac) 

  直线加速器段共配置了26个3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。  

直线加速器         第一单元 

  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。 

  直线加速器的部分参数:

  2.增强器(Booster Synchrotron)

  环形,周长396米。从直线加速器输出的1GeV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。

Inside the synchrotron tunnel Branch point of the synchrotron (left) and SSBT (right)

增强器隧道 增强器分支点(左)电子束输运线SSBT(右) 

  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。 

  增强器的部分参数:

  3.大储存环(Storage Ring)

  电子束从输运线SSBT(左)注入储存环(右)

  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。 

  大储存环的部分参数:

  大储存环可以长时间储存8GeV的电子束,超过百小时。同步辐射消耗的能量通过安装在储存环周围4个无线电站中的加速设备来补给。恒流(top—up)注入方式有效地确保了储存环中束流流强的恒定。 

  链接:2006年12月7—8日召开了东方科技论坛第86次学术研讨会,议题为“第三代同步辐射光源束流轨道稳定性问题”。 

  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。 

  4.小储存环(NewSUBARU)

  NewSUBARU储存环 

  1.5GeV的小储存环NewSUBARU,主要用于研究软X射线在工业领域的应用。1998年建成,由兵库大学的工业先进科学技术实验室LASTI(Laboratory of Advanced Science and Technology for Industry)负责其运行。 

  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。在长直线节中,安装了11米长的波荡器和一个光学速调管自由电子激光装置。直线加速器中1GeV的电子束可直接注入该储存环中

  11米长的波荡器

  小储存环的部分参数:

  四、光束线和实验站

  SPring-8拥有由偏转磁铁引出的光束线22条,最多可建24条;由插入件引出的光束线26条,最多可建34条,直线节长度4.5米;由长插入件引出的光束线1条,最多可建4条,长直线节长度25米。这些光束线一般设计在80米之内,但有9条可延伸至300米,3条可延伸至1公里。 

  1.布局和分类 

  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。

  光束线前端

  光束线

  * 公共类光束线

  * 日本原子力开发研究机构(JAEA)光束线

  * 理化学研究所(RIKEN)光束线

  * 其它单位光束线

  * 加速器束流诊断

  * 台湾专属光束线

  台湾国家同步辐射研究中心在SPring-8上建造了两条台湾专属硬X光束线:用于生物结构与材料研究及非弹性X光散射研究。台湾拥有75%至80%的使用时间。

  大事记

  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。 

  2000年12月15日:举行光束线启用仪式。 

  2001年初:非弹性X光散射光束线,由储存环聚频磁铁引出,供研究人员进行高相干性电子系统(高温超导与巨磁电阻前瞻性材料)的尖端研究。 

  2010年12月2日:举行“台湾专属光束线十周年庆祝会”。光束线启用至今共执行了483项计划,1657实验人次,发表于国际知名科学期刊的SCI论文233篇,拥有广大的用户群和丰硕的成果。

  2.部分实验站简介

  * BL02B2(粉末衍射)

  棚屋中安装了一个半径为286.5mm的Debye-Scherrer大型照相机。其成像板即为探测器,用于同步收集全粉模式。该相机可用于较宽的温度范围(15 k—1000 k),实现高算统计和高角分辨率粉末衍射数据的快速收集。

  * BL04B1(高压高温)

  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。

  * BL08W(高能非弹性散射)

  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射线束对称排列,实现了近180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。

  * BL13XU(表面与界面结构)

  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射线衍射仪(直径3m,高2.3m)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)。

  * BL19B2(工程科学研究 I)

  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:

  棚屋一:XAFS。距离光源51m, 长*宽*高分别为4m*3m*3.3m。在传输和荧光模式下进行X射线吸收和精细结构测量,开展高能X射线荧光(XRF)分析。

  棚屋二:X射线衍射。距离光源77m,长*宽*高为5m*4m*3.3m。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。

  * BL27XU(软X射线光化学)

  该光束线的C2a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。

  * BL35XU(高分辨率非弹性散射)

  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)。

  * BL37XU(微量元素分析)

  该光束线专为适用于各种“X射线荧光分析”设计的。

  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。

  棚屋二:配有掠入射光谱反射计和低真空扫描电子显微镜SEM。

  * BL15XU(WEBRAM)

  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。

  * BL24XU(兵库县)

  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。

  * BL23SU(锕系元素科学I)

  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。

  * BL45XU(结构生物学I)

  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。

  测角仪

  五、重大科研成果

  1.揭开水分子的神秘结构和运动模式的秘密

  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BL08W,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。

  其实早在2008年,日本理化所RIKEN的科学家们就利用SPring-8的BL17SU光束线和软X射线光谱,以及小角散射、哈曼(Raman)散射等技术,提出同时存在不同氢键模式的两种水状态。

fig4.Schematic of soft X-ray emission spectroscopy

  2.发展强韧如铁的通用塑材

  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。

  广岛大学艺术和科学综合研究生院(The Graduate School of Integrated Arts and Sciences, Hiroshima University)的特聘教授彦阪正道(Masamichi Hikosaka)专注于聚合物长链,以及它们结构和特征变化的研究。他通过X射线衍射和其它方法检验了聚乙烯长链的共混相结构和其对性质的影响;制定了理想聚合物晶体的生长机制、滑动和扩散的效应机制等。1987年,提出了“聚合物晶化的滑动扩散理论(Sliding diffusion theory of polymer crystalisation)”。

  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。

Masamichi Hikosaka教授 Kiyoka Okada博士手举新型聚丙烯

  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。

  3.解析钙泵动态结构的变化

  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。

  泵回钙2+离子,涉及获取和释放两个过程参与,钙泵的结构也相应发生变化。东京大学分子和细胞生物科学院的丰岛教授(Chikashi Toyoshima,Institute of Molecular and Cellular Biosciences of the University of Tokyo)首先发现了这一结构变化,并解析了9种状态下的钙泵结构。

  他的研究成果依次发表在英国2000年,2002年和2004年的《自然》杂志上。鉴于这一系列的杰出成就,丰岛教授被授予2009年的朝日奖(Asahi Prize)。

Schematic of structure: Structural change of calcium pump

  钙泵反应周期中的某种状态

  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。

  右:2000年《自然》杂志封面

  4.在陨石上发现新型磁性材料

  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。

  日本东北大学的三桠千春教授(Chiharu Mitsumata, Tohokyu University)正在开展人工合成Tetrataenite的基础研究。

  小杉博士和三桠教授因而摘得2010年杜布-克劳斯国际金相大赛第二名的桂冠(DuBose-Crouse Award, International Metallographic Contest)。

Dr. Masato Kotsugi Prof. Chiharu Mitsumata

  Masato Kotsugi博士 Chiharu Mitsumata教授

 

  5.利用纳米技术成功研制全固态安全电池

  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。

  6.解析了Rab27B和Slac2-a的立体结构

  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。

  7.新型口香糖Pos-Ca有效预防蛀牙

  江崎格力高有限公司健康科学实验室的田中智子医生(Dr.Tomoko Tanaka, the Health Science Laboratory of Ezaki Glico Co, Ltd)发现磷酸寡糖钙支持牙齿的再矿化,促进了磷酸寡糖钙(Pos-Ca)新型口香糖的问世。

Fig. 3	Dr. Tanaka setting a bovine sample onto the apparatus. Fig. 6 New product POs-Ca (Flat Style)

左:Tomoko Tanaka在SPring-8实验室 右:新型口香糖

  8.抗流感病毒的新药研发

  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。

  2008年7月,横滨市立大学纳米生物学研究生院山姆博士(Dr. Sam-Yong Park, Graduate School of Nanobioscience, Yokohama City University)成功解析了PA和PB1的组合结构,分析了与病毒复制相关的酶结构,这将加快新的抗病毒药物的研发。实现“冬季人们不用再担心流感”的愿望为期不远了。

Fig. 4	Subunit structure of influenza RNA polymerase (right). Schematic of RNA polymerase subunits, PA, PB1, and PB2 (left).

  左:RNA聚合酶亚基示意图 右下:RNA聚合酶亚基结构

  右上:PA(239-716)和PB(1-81)复合体成功结晶,BL41XU,SPring-8。

  9.通过分析彗星尘埃揭示太阳系形成的秘密

  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。

  10.纳米技术推动“新材料”的创新

  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。

图。碳同素异形体1。

碳的同素异形体:钻石和石墨,富勒烯和碳纳米管

  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。

Fig. 3	Carbon nanotube takes in fullerenes.  This looks like a pea in a peapod.

在富勒烯中的碳纳米管,看起来像豆荚

Fig. 4	ErCl3 nanowire formed in carbon nanotube.

ErCL3结构模型(红色为Er原子,绿色为CL原子)

  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。

新型石墨纳米管 Takuzo AIDA教授

  11.发展地震观测技术

  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。

  12.从分子水平解析自我组装的凝胶机制

  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。论文在线发表在2010年10月的《聚合物杂志》上。

  六、展望未来

  传统的光学显微镜分辨率受限于光的波长,而X射线的波长比可见光短1万倍,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。

  SPring-8早已着手了XFEL的预制和研究工作,加速器样机也成功产生第一束激光束。2006年,XFEL项目工程开工。目前,700米长8GeV的X射线自由电子激光装置正在最后的建设中,预计将于2011财政年度投入运行。在

  黄色区域:加速器和光束线研发楼,加速器测试样机安装在该楼中。

  红色区域:RIKEN和JASRI的联合项目SPring-8 XFEL装置所在地。

  SPring-8 XFEL鸟瞰

  1.里程碑式大事记

  2000年4月:起草XFEL概念设计:紧凑型和低成本型。

  2002年10月:完成短时高磁场真空波荡器的研制。

  2003年12月:电子枪研制成功,发射率值为世界之最。

  2004年11月:XFEL的研发团队组成。

  2005年1月:日本文部科学省MEXT汇报光与光子科技的未来研究和发展政策,XFEL将作为国家重要科研项目立项。

  2005年4月:开始研制250MeV的测试装加速器。日本文部科学省MEXT的自民党工作组确定新一代同步辐射光源作为“国家级重要的关键技术”。

  2005年5月:XFEL用户委员会成立。

  2005年11月:第一束电子束成功通过测试加速器,并证实产生同步辐射光。

  2005年12月:日本政府从2006年国家财政预算中拨款23亿日元用于XFEL装置的建设和研究。

  2006年2月:RIKEN和SPring-8咨询委员会RSAC指出:自由电子激光XFEL和大型同步辐射设施SPing-8的联合在全世界属独一无二,因此日本应在XFEL的建设方面起到带头作用。

  2006年4月:RIKEN和日本同步辐射设施研究机构JASRI成立XFEL项目合作办公室。

  2006年6月:在测试加速器中成功完成49nm UV X射线的激光振荡,并成功出光。

  2007年7月:XFEL装置正式开工。

  2009年3月:加速器大楼和波荡器所在大楼完工。

  2009年4月:开始安装电子枪、加速管、波荡器等。

  2010年5月:实验楼建设完工。

  2.XFEL设施

  SPring-8的X射线可产生比太阳亮100亿倍的光,而XFEL产生的光要比SPring-8还要亮10亿倍,脉冲比现有的X射线源短1000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。

  设计参数:

  电子束能量:8 GeV

  电子束直径:40 um

  X射线波长:>0.06 nm

  X射线峰值功率:5 GW

  X射线脉冲长度:<100fsec

  X射线峰值亮度:1033光子/s/mm2/mrad2/0.1%b.w.

  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)来发射精细、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。

  电子束能量通过C波段直线加速器迅速提高至8GeV,然后输运进真空波荡器产生强烈的XFEL辐射。

  电子枪和CeB6发射器

  左:直线加速器和C波段加速结构 右:真空波荡器

  C波段直线加速器是SPring-8和KEK开发的。C波段的加速梯度(35MeV/m)使加速器的长度大大缩短。总长原为1282米亚微米精度的加速器构造,最终安装在长为400米的隧道中。

  C波段直线加速器

  真空内波荡器

  3.创造新科技

  相干X射线成像技术:可获得各种材料原子水平的显微图像。

  成像过程:X射线激光→样品→相干散射模式→相位恢复→结构清晰图像

  XFEL的超短脉冲可探测物质飞秒的超快速运动。

  蛋白质结构解析:新材料解析必将引领生物和医学新功能产品的诞生。

  活细胞生物:实时数据采集将为活细胞的研究打开了新的道路。

  纳米技术:超短波的XFEL将有助于创造新功能材料。

  借助XFEL,科学家们能够观察天文、等离子科学和基础物理的极端现象。

  日本国家科学研究院的分子科学研究所(Institute for Molecular Science)、新泻大学(Niigata University)、名古屋大学(Nagoya University)和JASRI/RIKEN联合研究向氩原子辐照强烈的超紫外自由电子激光,成功解析了多电子发射的具体过程。

  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。

 

  中科院高能物理研究所科研处 中科院大科学装置办公室

  资料来自http://www.spring8.or.jp/en/


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