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欧洲同步辐射光源ESRF(European Synchrotron Radiation Facility)
2011-07-11 | 文章来源: | 浏览次数:  |

 欧洲的科学“神灯”/ 历史回顾 / 复杂庞大的结构 /“免费”的实验平台/广泛的研究领域 / 辉煌的研究成果 / 令人期待的发展前景

   欧洲的科学“神灯”

  第三代同步辐射光源是高性能的基于同步辐射专用储存环的装置,是多学科前沿研究和高技术开发应用的一种最先进且不可替代的“超级显微镜”,专供科学家们研究微观世界的奥秘。因其规模大、造价高、运行维护费用昂贵,1988年欧洲12个国家决定投资2.2亿法郎共同建造世界首座第三代高能同步辐射光源ESRF(European Synchrotron Radiation Facility),电子束能量60亿电子伏特(6 GeV)。ESRF从1994年正式启用至今,共建成四十条光束线站,提供高亮度、高精度的光源,成为欧洲、乃至世界的科学及工业研究强有力的工具和手段。

  ESRF位于法国东南重要的科研和高技术工业城市格勒诺布尔(Grénoble)。该市是欧洲最高山脉阿尔卑斯山的“大门”,并有 “法国硅谷”之称。穿城而过的两条河流,伊泽尔河(Isère)和扎克河(Drac)在城西北郊汇合,ESRF就建在这两条河之间“半岛”的尖上。

ESRF位置示意图(图片来自Google)

ESRF + ILL aerial view

  蓝天白云下的ESRF

  阿拉伯故事《一千零一夜》家喻户晓,其中“阿拉丁神灯”说道谁拥有“神灯”,“神灯”就能满足他的愿望。同步辐射光源帮助科学家得以探索原来人类无法想象的物质细微结构,被誉为科学的“神灯”。迄今为止,世界上90%的生物大分子:蛋白质、ADN、ARN、核糖体、核小体或者病毒都是借助同步辐射光了解的。在目前非常红火的功能蛋白学研究中,法国科学家正是在ESRF上,通过对拿破仑不同年代头发中微量元素含量的分析,确定拿破仑是正常病死的,而不是像传说所言被砒霜毒死,为这个争论多年的难题给出了科学的结论。

  第三代同步辐射光源不仅是基础研究必需的大型科研设备,而且具有极强的应用背景,其建设对一个国家的科研和经济发展具有积极的推动作用。在ESRF建设过程中,多项顶尖技术的运用不仅推动了技术的进步,而且刺激了经济的发展。ESRF建成以后,科学和工业界双双受益——物理学、化学、地质科学、材料科学等学科有了重要的研究工具;工业界也利用这里的实验室复制工业生产环境,研究产品性能、提高产品质量。

  ESRF雇有员工约600名,来自世界30多个国家,几乎都具有科技专业的背景。每年申请前来进行各种应用科学研究的项目多达2000个,科学家6300人次(2008年),研究内容涉及生物分子、纳米结构、聚合体等物理、化学、材料科学、生物、医学、地理和地质考古等多个重要领域。

  从2003年开始,ESRF与毗邻的劳厄•朗之万研究所ILL(世界最重要的中子源产生地)、欧洲分子生物学实验室 EMBL(以研究生物分子结构见长)和让•皮埃尔•埃贝尔结构生物学实验室IBS(法国最著名的结构生物学研究所之一,专家来自法国国家科研中心CNRS和原子能委员会CEA)一起,结成了结构生物学研究合作伙伴 — 格勒诺布尔结构生物学联合体PSB(Partnership for Structural Biology),专门研究用于医学目的的蛋白质结构,ESRF这盏欧洲的科学“神灯”更亮更神奇了。

  格勒诺布尔结构生物学联合体PSB

  历史回顾

  1975年:欧洲科学基金会(la Fondation Européenne de la Science)开展可行性研究,计划建造以硬X射线见长的高能加速器。

  1977年:ESF报告出台。

  1984年:决定在法国东南的格勒诺布尔市建造欧洲同步辐射光源ESRF。

  1988年:12个成员国签署协议;次年,工程建设开始。

  1992年:2月17日,储存环调束出光,获取第一束X射线束。

  1994年:正式投入使用,向用户开放,流强100 mA。

  1995年:提高流强至200 mA。

  1998年:建设工程竣工,共建成40条光束线并投入运行。

  2004年:制定长期战略规划。

  2007年:升级改造计划出台。

  2008年:ESRF委员会第50次会议正式批准升级改造计划。

  复杂庞大的结构

  法国的ESRF与日本的SPring-8、美国的APS、德国的Petra III现为世界上四大高能光源。

  ESRF主要由注入器、增强器和储存环三大部分组成,被加速的电子束在储存环中经过磁结构谐振器的振荡,发出大量高精度的光,电子束能量60亿电子伏特(6 GeV)。

  注入器:为200 MeV的直线加速器,电子束在真空环境的电场中逐渐加速,直至接近光速。

  增强器:为周长300米的同步加速器,内含加速腔和偏转磁铁。磁场效应将随着电子束能量的不断增大而增大,直到6 GeV。

  储存环:周长844.4米,内置64个偏转磁铁,320个四级磁铁,224个六级铁;计16个单元,每个单元有一个6米长的直线节,其中安装长至5米的插入件(波荡器和扭摆器)。电子束团每秒钟围绕储存环旋转30万圈。

ESRF光源示意图:1.注入器;2.增强器;3.储存环

Linac

注入器

增强器

输运线1全景

输运线2         储存环

储存环直线段上的三个插入件(粉色)

储存环部件示意图:4.偏转磁铁;5.聚焦磁铁;6.波荡器

储存环中的二极磁铁与四极磁铁

  储存环中的真空内波荡器

  ESRF发出的同步辐射光光束像头发丝一样细,大部分是光度极强的X光,比一般医院的X光机所能提供的光束要亮亿万倍。这样亮度的X射线开启了前所未有的探测领域,科学家可以观察极小物质样本的精细结构,分析超稀释的溶液,或观察瞬间发生的化学和生物反应。

  ESRF的输出光束线已经从初建时的12条发展到现在的40条,分为公共类束线和合作研究组(CGR)束线,每条束线一般配置2名科学家、2名博士后和1名技术人员。每年来自世界40多个国家的6000多人次的研究人员使用该设备提供的高质量光源,研究物质的原子、分子结构。特别令ESRF自豪的是:它自1994年运行至今从未发生过故障,成为世界上性能最好最可靠、用户最多、发表论文最多的X射线辐射光源。欧洲的很多制药、化妆品、食品、建筑、冶金、微电子等行业的大企业都申请到这里来做实验,如:法国赛诺菲 — 安万特制药(Sanofi-Adventis)、欧莱雅化妆品公司(L’Oréal)、联合利华等。

  ESRF的束线分布图

  其中的CRG束线:

编号

束线所属国

研究领域及备注

BM01

瑞士-挪威SNBL

高分辨率单晶衍射;衍射成像;高分辨率粉末衍射;EXAFS光谱;已发表文章1000篇

BM02

法国D2AM

用于材料科学的衍射和多波长反常散射(Diffraction et Diffusion Anomale Multilongeurs d’Onde)

BM08

意大利GILDA

09/94开始运行,用于研究局部结构的X射线吸收光谱和衍射,5-80 keV能量区,包括4个实验棚屋

BM16

西班牙 CRG

结构生物学线站,拥有2个实验棚屋:大分子结晶(PX)站,2003年9月开始运行,覆盖6-17 keV能区;SAXS/WAXS站

BM20

德国ROBL

RCH:X射线吸收光谱站,放射性核素环境化学;

MRH:X射线衍射和反射站,材料科学

BM25

西班牙SpLine

覆盖5-45 keV能区,包括高分辨率粉末衍射;X射线吸收光谱;单晶衍射;表面X射线衍射和X射线光电子能谱

BM26

德国和比利时DUBBLE

SAXS/WAXS :用于凝聚态、地质、矿业、金属领域的研究;EXAFS:在线催化实验。已发表论文600多篇

BM28

英国XMaS

由偏转磁铁引出,覆盖能区2.3 keV-15keV,高分辨率磁单晶衍射和低能X射线反射

BM30A

法国FIP

生物大分子结晶学,正常衍射和多波长衍射,覆盖7-18keV能区

BM30B

法国FAME

吸收光谱束线,用于材料和环境科学领域,稀释和超稀释样品的结构解析

BM32

法国IF

用于正常条件和超高真空环境下表面和界面的研究

  

 

 

  ESRF的40条束线可分为6组:结构生物学、X射线成像、聚合物结构、材料结构、电子结构和磁学、动力学和极端条件,分属于物理学(Group1- Group3)和生命科学(Group4- Group6)两大领域。

 

   ESRF为能够长期致力于结构生物学方面的研究,新建成了全自动化蛋白质晶体学光束线站ID23。它包括两个实验室,配备高清晰微衍射计、光学CCD探测计。这将大大有助于生物学家研究成千上万,甚至上百万、上亿个蛋白质的结构和功能,包括它们的详细信息和它们相互作用中调控蛋白质功能的机制,以加快新药研制的步伐。

全自动化蛋白质晶体学光束线站ID23进行原子结构测量

ESRF的束线引出与实验站

ESRF beamline (BBC)

探测材料结构          光束线站ID08的仪器设备

 

  ESRF束线和实验站配备了尖端设备和仪器:

  1.棚屋:包括通光孔、筛选机、单色仪、镜子。

  2.实验站:显微镜、光谱仪等提供精确的信息。在大分子结晶方面,采用机器人摆放、固定样品,大大节约了实验时间。

File:ESRF mg 2251.jpg

ESRF棚屋外景

   3.检测仪:多为电子检测仪,种类繁多,以保证检测的高效、快速和高分辨率。 

  4.控制间:每条线站的运行有专门的软件控制,自动管理超大数量的数据和图像。科学家从实验室进行远程控制,也将逐渐成为可能。

  5.数据分析:大部分数据仍由科学家们带回到实验室后再进行分析。在线分析已开始发展,使研究人员当场即可得出样品概念性的结果。随着高科技的进步,大规模的数据对信息处理的要求也越来越高。

  “免费”的实验平台

  ESRF的年度预算约8500万欧元(约合1.05亿美元),分别用于人员支出(55%),运行费(25%)和新项目投入(20%),由19个国家(18个欧洲国家和亚洲的以色列)共同承担,其中200万欧元来自工业实体,350万欧元来自欧盟的一些科研津贴。2010年预算9800万欧元,包括ESRF的升级改造经费。

 ESRF成员国的分布(图中浅绿色表示后加入的国家) 

  各国出资比例:

  法国 27.5%,德国 25.5%,意大利 15%,英国 14%,西班牙 4%,瑞士 4%,荷兰、比利时 6%,丹麦、芬兰、挪威、瑞典 4%。其他:葡萄牙1%、以色列1%、奥地利1%、波兰1%、 捷克共和国、匈牙利、斯洛伐克1.05%。

  ESRF的中心大楼

  每年在ESRF上做实验的项目有5000多个,实验室聘请实验室以外、来自世界各地的专家每年两次对申请项目进行评审、筛选。项目一旦入选,ESRF投资国的专家到这里做实验的所有费用,包括国际旅费、在格勒诺布尔的吃、住、行以及实验费用都由实验室提供;投资国以外国家的专家则可以免费在这里做实验。“免费”的前提是,实验结果论文必须公开发表。世界上50多台同步加速器,ESRF是发表论文最多的地方,每年发表论文1500多篇(2009年1550篇)。企业也可申请在这里做实验,但由于结果是保密的,所以必须付费。

  广泛的研究领域

  1. 生物学:目前最重要的趋势是研究蛋白质结构。蛋白质是维系生命基础的大分子,它的功能由结构决定,即三度空间中,分子内原子的排列架构。X光晶体结构分析就是研究蛋白质内原子结构的上选工具。自从有了同步辐射光源,X光晶体结构分析就成为了生物学家不可或缺的工具。

  2. 化学:化学家和生物学家在研究催化作用时,必须研究动态的分子反应,才能真正了解化学反应是如何发生的。ESRF就如一个超级快速照相机,可以“拍摄”几纳秒(10-9 s)甚至皮秒(10-12 s)之间发生的分子结构变化。

  3. 医学:用ESRF光源摄取心脏、肺脏、脑部影像,辐射剂量将低于现有的医疗设备,不仅可减低对人体的侵害,而且可获得更明晰的影像。ESRF未来有望改善目前癌症的治疗方法。

  4. 地球科学:研究地心取样,帮助科学家了解地震、火山爆发等现象,也可推测其它星球上是否有生命存在。使用ESRF可研究极为细微的样品在极端的温度、压力条件下的反应。

  5. 物理:原子是研究“无限小”世界的基本材料,量子物理学就是在纳米层次研究物质的几何、电子、磁场结构和物质相关特性之间的关系。ESRF很多用户从事材料表面原子顶层结构的研究,其应用将有助于微电子工业的发展。

  6. 材料学:合金、半导体、液晶、聚合体、胶体、玻璃、光纤、塑料、触媒等各式各样的材料,都可以用X光来研究。生物取样亦如此。ESRF提供的多种技术,给予科学家无限可能。例如研究蜘蛛丝形成时的结构,可能仿真制造一种像铁丝一样坚韧、又比尼龙更有弹性的聚合体。

  7. 环境科学: ESRF的研究者正在开发洁净能源,并分析受到辐射污染的土壤、水。

  8. 工业应用:在ESRF进行的研究有1/4以上和工业应用直接有关。ESRF可以模拟工业生产时的电场、磁场、机械限制、化学反应、温度、湿度、压力等条件,制药、化妆品、农产、建筑、微电子、冶金、制纸、化学等工业集团都与ESRF合作研发。

Bayer Schering Pharma  sanofi   ­­­­­­Total

     拜耳医药     萨诺菲—安万特集团  法国道达尔

Schneider   GSK  Unilever Research & Development Vlaardingen

    施奈德电气       葛兰素史克    联合利华

L'OréalArevaMax Planck Institut

欧莱雅   法国阿海砝集团  德国马克思-普朗克研究所

ESA - European Space Agency  Daihatsu NovoNordiskUCB

 欧洲空间局 日本大发株式会社 丹麦诺和诺德制药 比利时UCB制药

  辉煌的研究成果

 

2008年

2009年

2010年

光源的可用性(%)

98.30

99.04

98.78

故障间隔平均时间(单位:小时)

64.50

75.80

67.50

故障平均持续时间(单位:小时)

1.10

0.73

0.82

 

 

  2011年3月16日,ESRF创造了一项新纪录:连续33.1天(795.5小时)保持无束流损失的用户运行模式。100%可用性的优质光源为科学研究的成功提供了强有力的工具和保障。

  科学家们在ESRF取得了许多重要成果,占全世界科研成果的20%,文章几乎见诸于每期的Science和Nature杂志。例如:用缩微同步辐射光束研究在常温、常压下合成具有溶水性和极好韧性及强度的蜘蛛网丝的组成结构;用同步辐射的高亮度光束研究酵母锯蛋白的结晶体结构,以更好地了解导致人类克雅氏病、疯牛病的锯蛋白的原子机理;用同步辐射X射线成像技术研究雪花的三维多孔结构,以发展预测雪崩的技术;多孔的沸石在工业中应用非常广泛,可用于过滤垃圾、精炼溶剂或清洗剂,石油工业对它能够激发催化反应的特性尤其感兴趣 — 在其小孔中加入碳水化合物分子,沸石就成为具有选择性的化学反应器,微电子工业则认为它能够孤立“量子”纳米粒子的能力非常有用,高质量的同步辐射光使科学家能够精确地了解活性区域的位置和运转情况……

  在医院里,拍X光片已经是非常普通的事了,但这一高超的三维造影术并不能区分各类软组织。而在ESRF,当X光穿越不同密度的组织时,相位衬度成像就会通过匀称的X射线束的轻微偏差来实现。这一技术能分辨各软组织的差异,从而进行肿瘤的早期诊断。

  一般的癌症放化治疗,是用X光来杀死癌细胞,但同时也破坏了周围的健康组织。ESRF利用超强聚焦的性能,能够优先杀死患病的癌细胞。

  在PSB框架下,ESRF研究细菌的分子机制,主要针对耐辐射球菌和幽门螺旋杆菌,了解它们为何有如此超强的适应环境能力?如:如何改变自身新陈代谢来适应极端环境?耐辐射球菌具有很强的抗电离辐射能力,可耐1万Gy的辐射。在这种高剂量辐射下,脱氧核糖核酸ADN链将被毁坏。但是,耐辐射球菌却能自行修复而存活下来。幽门螺旋杆菌是90%肠溃疡和80%胃溃疡的原因。胃内环境一般呈酸性,并不利于细菌的生长,但幽门螺旋杆菌却能分泌一种激酶以提高PH值而得以存活。

  2009年,美国科学家文卡特拉曼·拉马克里希南(Venkatraman Ramakrishnan )、托马斯·施泰茨(Thomas A. Steitz)和以色列科学家阿达·约纳特(Ada E. Yonath)获得了诺贝尔化学奖,以表彰他们在原子层面揭示了核糖体的结构和功能。他们曾在NSLS、ALS、APS、SLS、以及ESRF等光源上进行实验,采用X射线蛋白质晶体学方法成功地绘制出核糖体成千上万个原子的3D位置,使科学家们不仅了解了核糖体的形体,而且在原子层面上揭示了核糖体功能的机理,这对科学理解生命是非常关键的。他们绘制的模型已被广泛应用于新抗生素的研制,以减少患者的病痛和拯救生命。ESRF为自己的用户获得诺贝尔奖而感到自豪。

  2011年2月,ESRF同步辐射光源揭开了梵高画中向日葵褪色的秘密。虽然大多数油画都会因为污垢的堆积和环境的暴露在几个世纪后失去原本的光泽,但颜料中的铬黄类(19世纪的流行色)特别容易褪色。通过X射线荧光、X射线衍射、拉曼散射等分析研究,科学家们发现黄色颜料中的铬在人为的紫外线老化过程中由六价的铬(CrVI)降解成更为稳定的三价铬(CrIII),明亮的黄变成黯淡的巧克力色。两篇文章发表在2月15日的《化学分析》中。

yellow paintbrown paintvan gogh yellow paint that fades to brown

  梵高的《塞纳河畔》

  左:2011年;右:2050年,铬黄将褪色成赭色

  19世纪的许多画家,塞尚、修拉、康斯等的作品中都使用了铬黄,对这些作品的保存已经成了很多博物馆的一个紧迫的忧虑。目前,科研人员正在努力寻找还原褪色颜料的方法。

  令人期待的发展前景

  1. ESRF的升级改造工程

  为满足各国用户对高亮度高精度X射线束的需求,特别是对纳米级光束线的需求,同时为了确保ESRF在同步辐射领域的世界领先地位和竞争力,ESRF委员会于2008年启动了一项雄心勃勃的升级改造计划,预期十年(2009-2018),并将改造计划和愿景写进了紫皮书。

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  升级改造工程分两期。一期工程(2009-2015年)的经费已陆续调拨,除0.74亿欧元ESRF的改造经费外,19个成员国共同投资了1.04亿欧元。欧盟第七科技框架计划(FP7)也给予了财政支持,合约1.8亿欧元(约2.4亿美元)。经费配比如下:

­

 

  一期工程的主要目标是:

  * 新建8条世界独一无二的高性能光束线站,从2011年逐步投入运行;

  * 改造现有线站、实验大厅及基础设施,保持其世界一流的先进水平;

  * 继续提高X射线束流的可用性、稳定性、可靠性、灵活性和光源的高亮度;

  * 重点研发同步辐射的仪器设备,保证光源的技术支持。为此,2008年,ESRF成立了仪器设备服务和发展处(Instrumentation Serviecs and Development Division)。

  一期工程中部分公共类光束线站的改造:

名称

原插入件

改造后

应用

UPBL1

ID01

ID01

用于纳米分析的衍射成像

UPBL2

ID15

ID31

用于界面结构和材料处理的高能束线

UPBL4

ID22

ID16

纳米成像和纳米分析

UPBL6

ID16

ID20

电光谱的非弹性硬X射线散射

UPBL7

ID08

ID32

用于纳米磁性&电光谱的软X射线

UPBL9A

ID02

ID02

时间分辨超小角X射线散射

UPBL9B

ID09B

ID09

Pump-probe和时间分辨实验­­

UPBL10

ID14

ID30

用于大分子结晶学的大规模自动选样集成装备

UPBL11

ID24/BM29

ID24/BM23

时间分辨和极端条件X射线吸收光谱

  

 

  实现改造计划的5大支柱:

  2. 加速器和X射线光源的改进

  ESRF成功的关健在于高性能加速器体系可靠地保障了高品质X射线束的产生。因此,一期工程改造的一项重要任务是保持加速器最前沿的科研能力。包括:

  * 2009年安装了改进后的束流位置诊断系统,提高了束流的稳定性,并减小了垂直发射度,并向超低发射度努力。

 

 

  ID27实现了˜5 pm,接近了衍射的极限

  * 将波荡器直线节的有效长度延长至6米,甚至7米。这为安装更多的波荡器提供更多的可用空间。

Sketch showing longer undulators in the straight sections between the focusing magnets and bending magnets.

  在聚焦磁铁和偏转磁铁之间的直线节安装更多更长的波荡器(粉红)

  * 一种由半导体技术发展而来的新RF电源将取代基于发射机的速调管。这种新的RF电源更先进、稳定,替代老化的高功率速调管技术,并将缓解注入器Top-up运行模式的切换压力。

  * 改进RF射频高阶模式阻尼腔,以便取代上世纪80年代设计的目前已老化的射频腔。较高阶模式阻尼技术是世界上许多同步加速器应用的技术。在ESRF,它将使束流增强至300毫安。这一目标已在2010年实现。

  这次改造将达到加速器和X射线光源在最初设计时所制定的最乐观的预期目标,即首要目标是继续保持X射线束的可用性、稳定性和领先性的世界卓越水平。

  3. 配套基础设施和设备的升级

  “纳米聚焦X射线束”“纳米级样品”不是简单的概念性名词,它意味着挑战光学、探测器、样品制备、精密机械,以及电子学等领域的先进技术:高能环、真空波荡器、超低温波荡器、单色镜的热负荷极限、准直镜、纳米聚焦镜系统等。

  * 材料环境:

  改造工程的目标之一就是创造实现材料合成的极端环境。包括:

  — X射线光纤接入的宽角处,高压达到 1 Mbar;

  — 高温3000度之上;

  — 低温 <1 K;

  — 脉冲模式下的高磁场 50 T,连续脉冲模式下 30T。

  * 探测器:

  在ESRF进行的实验往往受限于当今的X射线探测器,造成光子传入的浪费和样品信息的丢失。如今将通过国际合作,从6方面进行目标性的升级改造:

  — 高灵敏度大型探测器;

  — 高效的传感器;

  — 快速成像;

  — 具有纳秒分辨率的混合像素计数探测器和2D记录;

  — 扩展动态范围和像素探测器;

  — 能量色散 2D探测器

  * 计算:

  在ESRF任何实验的原始产品都是数据,而实验数据以每18个月翻番的速度增加。10年前,1PB级的存储量难以想象。而如今,它已成为欧洲核子中心LHC(15 PB/年)或ESRF(几个PB/年)等数据密集型设施的标准单位。目前的挑战是如何管理如此高效的数据流?

  SRF升级改造后,整个的数据处理系统将更加有效和高效,无论是仪器控制、资料诠释、建模、演示,还是数据传输和存档。它将继续研发新的在线、离线软件,并建立了第二个数据中心。2011年5月26日,新数据中心揭幕,将为中央数据存储、分析、备份和网络电子及软件等提供高品质的环境。

Robotised tape library for the backup of scientific data.Rows of new racks ready to receive new servers.

  用于数据备份的磁带库        新计算资源

 

  4. 新建筑

  实验大厅的改造方案日趋成熟。2010年5月和11月,初步设计报告和任务分解报告获正式批准。2011年9月起,ESRF将利用两次停机时间进行拆旧安新工作。实验室将扩展至1.8万平方米,共13条光束线站升级,其长度将由现在的60-80米延伸至120米-140米,2条新建光束线及辅助建筑将延伸超过200米,甚至达到250米,以满足纳米聚焦X射线束产生的要求。纳米级X射线束实验室的建成将为科学研究开辟新的道路。

  ESRF实验大厅的扩建

  另外,罗纳尔大区和地方匹配1.8亿欧元,用于建新大门入口、服务中心、员工食堂和物流平台。一座3500m2的科学大楼也将拔地而起。­­­

  凝聚了20年的成功经验,ESRF将为欧洲和全世界继续提供高品质的科研平台,将不断加强基础设施、光束线、实验站的建设,更新仪器设备及其自动化,研发探测器新技术、应用新技术,提高数据处理、格式化和存储能力。

  高能所科研处 中科院大科学装置办公室 资料来自 http://www.esrf.eu/


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