说明:本次主要介绍欧洲同步辐射光源ESRF,包括高能量同步辐射的新一代设施,同步加速器如何工作,加速器的设施,以及面临的科学与技术的挑战等。想学更多XAFS知识请看历史内容!
高能量同步辐射的新一代设施
ESRF位于法国格勒诺布尔,这座城市的科研和高技术工业发达,被誉为“法国硅谷”。同时ESRF的成功还得益于19个成员国的国际合作。
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。

同步加速器如何工作?
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。

加速器设施
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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。
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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。
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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。
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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。

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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:
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电子束能量(6 GeV)
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电子束强度(200 mA)
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最小可实现的发射度(水平 = 1.5×10⁻¹⁰ mrad,垂直 = 5.0×10⁻¹² mrad)
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插入装置的间隙、磁场和周期
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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:
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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。
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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(
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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。
科学与技术的挑战
ESRF-EBS由四个部分组成:
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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。
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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。
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雄心勃勃的科学仪器计划:包括高性能X射线探测器。
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数据战略:充分利用新型X射线光源的性能。
新的科学突破助力应对全球挑战
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:
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健康创新与生物学
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气候与环境
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能源与可持续经济
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材料与创新工业
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世界文化遗产
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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NOx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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