欧洲同步辐射光源ESRF全面介绍！

ESRF是世界上最强大的同步辐射光源，其产生的X射线比医院使用的X射线亮1000亿倍。这些具有卓越特性的X射线是由储存环中高速运动的高能电子产生的，储存环是一个周长为844米的环形隧道。每年，来自世界各地的9000多名科学家前往法国格勒诺布尔，使用ESRF的光束线进行实验。每条光束线都配备了最先进的仪器设备，并且全天候24小时运行。

由于其X射线的亮度和质量，ESRF就像一台“超级显微镜”，能够“拍摄”凝聚态物质和生物体内原子的位置和运动，并揭示物质结构的美丽与复杂性。它为科学家在众多领域（如化学、材料物理、考古学与文化遗产、结构生物学与医学应用、环境科学、信息科学和纳米技术）探索材料和生物体提供了无与伦比的机会。

从1988年作为世界上第一台第三代同步加速器创造历史，到2020年启动新一代高能光源，ESRF的力量在于其创新能力，推动技术达到极限，并不断追求更高的性能，以科学家提供最先进的仪器。ESRF的“极亮光源”（Extremely Brilliant Source，EBS）相比之前的光源，将X射线的亮度和相干性提高了100倍。基于获奖的晶格设计，ESRF-EBS为全球同步加速器设定了新的标准。

同步辐射光（也称为同步辐射）是由在储存环中循环的高能电子被磁场偏转时产生的。1947年，人们首次观察到同步辐射光束。自那以后，不仅在加速器物理、电子学和计算领域取得了巨大进展，磁技术和真空技术也取得了显著发展。因此，如今的同步辐射光源已经被设计和优化，以产生明亮的X射线，而这种X射线有着广泛且迅速增长的需求。

• 电子枪和直线加速器  

欧洲同步辐射装置（ESRF）的预注入器是一个200 MeV的直线加速器（Linac）。它由一个100 keV的三极管电子枪、一个短的驻波束团段和两个6米长的2/3加速段组成。两个射频调制器配备了35MW的Thomson TH2100速调管，并以10 Hz的频率运行。电子枪的触发频率可以设置为10 Hz或1 Hz。

由电子枪发射的电子在直线加速器（linac）的起始端被聚集为“电子团簇”，然后通过电场逐步加速（达到2亿电子伏特），直至其速度非常接近光速。

• TL1：传输线1

直线加速器与增强器同步加速器之间的传输线长度为16米，包含两个15度的偶极磁铁和七个四极磁铁。能量选择狭缝安装在两个偶极磁铁之间的直线段上。电子束通过两对偏转磁铁沿传输线引导，其位置由四个荧光屏监视器控制。

• 增强器同步加速器

增强器同步加速器的周长为300米，运行频率为10赫兹，在6 GeV能量下具有较低的自然束流发射度，为1.2×10⁻⁷毫弧度。 其磁铁晶格结构设计旨在将电子束在加速至6 GeV后的平衡发射度控制在10⁻⁷皮米·弧度量级。

电子在经过加速后，进入增强器同步加速器，电子在其中多次循环，每转一圈都会获得一点能量。当它们达到最终能量60亿电子伏特（6 GeV）时，它们就会被送入储存环。每隔50毫秒，加速器就可以将一批6 GeV的电子送入储存环。

• TL2：传输线2

TL2的长度为66米，包含5个串联的交流增强器型偶极磁铁、14个直流四极磁铁和17个直流偏转磁铁。束流的位置通过荧光屏监视器进行监控。

• 储存环  

储存环的周长为844.4米。其目的是储存从增强器注入的6 GeV电子束，并将其输送到44条光束线。

电子束通过128个具有纵向梯度的弯曲磁铁和96个具有传输梯度的弯曲磁铁引导至轨道。电子束由412个四极磁铁聚焦。192个六极磁铁控制电子的能量分散。所有六极磁铁都具有偶极和斜四极磁场，用于进行微小的校正。

储存环的部件被安排在32个单元中，每个单元的磁铁分布相同。每个单元都有一个长度为5.3米的直线段，可以安装长达4.5米的插入装置（Insertion Devices，简称IDs）。

两类插入装置（IDs）被使用：波荡器（undulators）和扭摆器（wigglers）。两者都由永磁体块构成，这些磁体块迫使电子束沿正弦轨迹运动，从而激发辐射并增强电子束的亮度。

当电子通过弯曲磁铁和插入装置时，会辐射出光子并失去能量。为了补偿这种能量损失，射频腔（radio-frequency cavities）会恢复任何损失的能量，并将能量维持在接近标称的6 GeV。

光子束是从光源的切线方向提取并导向光束线的。

关键目标参数是亮度，通过以最优方式组合以下参数，可以最大化亮度：

• 电子束能量（6 GeV）  

• 电子束强度（200 mA） 

• 最小可实现的发射度（水平 = 1.5×10⁻¹⁰ mrad，垂直 = 5.0×10⁻¹² mrad）

• 插入装置的间隙、磁场和周期

• 光束线  

在同步辐射装置中，实验是在光束线中进行的。这些高度专业化的实验室配备了最先进的仪器，并且每条光束线都有自己的专业支持团队。欧洲同步辐射装置（ESRF）拥有44条这样的光束线，它们被设计用于特定的技术和特定类型的研究。

光束线的不同区域如下所述：

• 光学舱（Optics cabin）：这是X射线离开加速器后到达的第一个区域。它容纳了实验所需的光学器件（狭缝、滤波器、单色仪、镜子），这些器件用于赋予光束进行实验所需的特性。

• 实验舱（Experimental cabin）：这里包含一个用于定位待研究物质样品的装置，这些样品通常非常小（

• 实验站（Experiment station）：这是科学家们控制实验和收集数据的地方。如今，科学家们还可以从他们自己的实验室远程控制实验，尤其是在晶体学光束线上。

ESRF-EBS由四个部分组成：

• 新的储存环：基于ESRF开发的混合多弯消色差（HMBA）结构，能够产生极为明亮的X射线，并于2020年向用户开放。

• 四条全新的旗舰光束线：除了翻新和升级的光束线外，这些光束线涵盖了多种科学技术，使得人们能够以更高的质量、更快的速度，更详细地研究物质在原子水平上的结构：

   – EBSL1-ID18：相干X射线动力学和成像；

   – EBSL2-ID03：暗场X射线显微镜；

   – BSL3-BM18：高通量大面积相位对比断层扫描；

   – EBSL8-ID29：串行大分子晶体学。

• 雄心勃勃的科学仪器计划：包括高性能X射线探测器。

• 数据战略：充分利用新型X射线光源的性能。

与之前相比，ESRF-EBS的X射线性能提升了100倍，开启了X射线科学的新纪元。它能够在所有尺度上对物质进行3D探索，直至原子尺度，并在大分子水平上理解生命，从而助力科学家应对当今社会面临的重大全球性挑战，包括：

• 健康创新与生物学

• 气候与环境

• 能源与可持续经济

• 材料与创新工业

• 世界文化遗产

• 全球科学与行星研究

想象一下，对整个人体器官或整个身体进行微米分辨率的3D扫描。或者在纳米分辨率下揭示大脑神经回路。想象对木乃伊及其棺材进行细胞水平的虚拟尸检。或者对霸王龙恐龙头骨进行3D扫描，直至牙齿生长线：年龄、病理……想象中和柴油发动机中的NO_x污染，或者追踪电池充放电过程中的锂原子。

这些能力将使科学家更好地理解凝聚态和生物物质的复杂性，从而更好地理解我们周围的世界以及人类的起源。

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https://www.esrf.fr/

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