法国SOLEIL 同步辐射光源

2019年10月10日21:35:48法国SOLEIL 同步辐射光源已关闭评论 15 views

一个有着美丽名字的光源 / 并不悠久的历史 / 比太阳光强1万倍的光是如何产生的

涉及多个学科前沿领域的研究成果 / 科技交流与丰富多彩的科普活动 / 为所在地区带来巨大的发展机遇


♦ 一个有着美丽名字的光源

法国SOLEIL 同步辐射光源法国SOLEIL同步辐射光源的法语全称是Source Optimisée de Lumière à Energie Intermédiaire du LURE,而它的简称SOLEIL恰好是法语的“太阳”,作为同步光源的名字实在是太恰当、太美了。

SOLEIL是法国继1992年2月在东南部城市格雷诺布尔(Grenoble)建造欧洲同步辐射装置(ESRF)之后的第二个第三代同步光源,它坐落在巴黎大区南部埃松省(Essonne)圣奥班(Saint-Aubin)市的萨克莱高地(Saclay),占地30公顷。SOLEIL光源的能量为2.75 GeV,属于第三代中能光源,其性能和技术上均位于世界同类装置的前列,能够产生比太阳光强1万倍的光。

 

法国SOLEIL 同步辐射光源  法国SOLEIL 同步辐射光源

SOLEIL鸟瞰

“第三代光源”是指以高亮度为特征的专用光源,使同步辐射光源的应用从过去静态的、在较大范围内平均的手段扩展为空间分辨的和时间分辨的手段,为众多学科和广泛的技术应用领域带来前所未有的新机遇。国际上第三代同步辐射光源按能量分为低(2 GeV 以下)、中(2–4 GeV)、高(6 GeV 以上),它们在提供真空紫外光、软X 光及硬X 光等方面各有其长。高能光源造价昂贵,中能光源不仅符合经济效益,在许多科学研究领域具有优势,更多地受到了科学界的青睐,中能量高亮度光源已成为同步辐射光源发展的主流。

SOLEIL光源工程2002年2月正式启动,2006年12月完成首期目标,11条光束线开始投入使用,至2009年9月已有16条光束线向用户开放。SOLEIL总投资3.854亿欧元,由法国政府、巴黎大区和埃松省(Essonne)分担。SOLEIL共有雇员300余人,其中80%为科研人员,20%为行政管理人员,另有50多位博士和博士后。

SOLEIL拥有最新的技术,是向科学界、工业界开放的服务平台,也是一个国际最前沿实验技术的研究实验室。每年约有2000名用户在SOLEIL进行物理、化学、材料科学、电子、生命科学、医学、地球科学领域以及与环境、食品、化妆品、药品等相关的研究。SOLEIL光源为加强法国基础科学和应用科学领域的研究提供了新的有力的工具,对法国科技的发展具有决定性意义。

 

♦ 并不悠久的历史

SOLEIL属于新建装置,历史并不悠久,但它的经历也很有些戏剧性。

1992年,法国国家科学研究中心(CNRS)和法国原子能委员会(CEA)开始筹备和制订建设SOLEIL光源的计划,目的是取代已经落后的位于巴黎南郊的奥尔赛电磁辐射加速器(LURE),该装置在运行的30年中不断改造和优化,于2003年12月彻底退役。

1999年5月,CNRS和CEA组成的专家组提交了在法国北部加来海峡省建设新同步辐射光源SOLEIL的详细草案。

1999年8月,法国科研部长阿莱格尔(Claude Allegre)以20亿法郎预算投入过于庞大为由,决定取消SOLEIL计划。他建议投资并参与在英国的DIAMOND第三代同步加速器的合作计划(法国在其20条束线上占有7条)。此举遭到法国以及整个欧洲科技界、经济界的强烈反对,甚至愤怒。法国议会科技政策评估委员会的报告也认为,SOLEIL光源的建造将有利于法国科技的发展。

2000年9月,在法国各界的强烈要求下,接替阿莱格尔出任科研部长的施瓦岑贝格(Schartzenberg)决定恢复SOLEIL计划,8年内共投资21亿法郎。政府将SOLEIL的选址由原来法国北部加来海峡省的卡昂(Caen)改为埃松省的萨克莱(Saclay)。萨克莱(Saclay)与老的奥尔赛电磁辐射加速器相距仅几公里,在此建新的加速器不仅可以节约建造经费,还有利于原来加速器的工作人员就业。

2001年10月,法国国家科学研究中心(CNRS)和法国原子能委员会(CEA)正式决定建设SOLEIL光源,投资股份分别占72%和28%。此后,巴黎大区投入1.49亿欧元,埃松省投入0.34亿欧元,其它一些地方以及英国、比利时、西班牙和葡萄牙等国也参与了此项目建设,总投资共计3.854亿欧元。

2006年6月2日,SOLEIL完成了调试,储存了第一束电子光束,电子光束能量为2.75GeV。

2006年12月18日,SOLEIL首期工程宣布完工,11条束线投入运行。法国希拉克总统亲临现场揭幕剪彩。他表示:法国从此拥有了一个独一无二的仪器,一个了不起的可以研究物质核心结构的仪器,它可以广泛应用于天文、生物、化学、考古以及其他所有基础科学和应用科学领域,使法国科学家拥有了与美国和亚洲同行竞争的手段和工具。SOLEIL首次招标,即收到大于预计用户2.5倍的使用申请。

 

法国SOLEIL 同步辐射光源  法国SOLEIL 同步辐射光源

SOLEIL 全景

 

2009年1月,法国政府宣布2012年将对SOLEIL投入6百万欧元。

2009年4月,南非国家研究基金与SOLEIL同步辐射光源签订了纳米技术、生命科学、医药、环境科学等合作研究备忘录。南非方面将为来法的科学家们提供资金,SOLEIL则将在科研技术方面提供支持。

2009年7月,法国中部省在SOLEIL投资的3条光束线之一DISCO光束线开始运行,总投资520万欧元。

2009年9月,已有16条束线顺利向用户开通,其中一半致力于生命科学研究。

2010年6月,世界最大的博物馆——美国史密斯博物馆(Smithsonian Institution)与SOLEIL光源和法国国家科学研究中心(CNRS)就博物馆珍品保存、考古及古生物学科的研究、文物鉴定、文物保护等方面签订了合作协议。

2011年,两条专用于细胞和组织X光造影的光束线将投入运行。

 

♦ 比太阳光强1万倍的光是如何产生的

SOLEIL由注入器、输运线、储存环和同步辐射实验线站等部分组成。注入器是一台直线加速器,电子枪产生的正负电子束在直线加速器中加速后分别注入椭圆形的增强器继续加速,直至电子能量直到达到SOLEIL要求的2.75 GeV。储存环周长354米,为了利用产生的同步辐射光,电子进入储存环后将运转几个小时。弯转磁铁使电子改变通常的线性运动轨迹而沿着储存环的轨道运转,四极磁铁使电子束聚焦为头发丝般的直径。扭摆磁铁(也称插入件)迫使正负电子束做波浪形的曲线运动,使电子有可能在直线段产生同步辐射光。储存环内的电子运行速度几乎达到30万公里/秒的光速,产生的同步辐射光从远红外、紫外,到硬X射线,光强约为太阳光的1万倍。引出的光束线位于储存环四周,每个光束线是一个独立的实验室(示意图中仅画出8个)。实际上,SOLEIL设计的最大容量可以容纳43条光束线。

 

法国SOLEIL 同步辐射光源

SOLEIL示意图:①直线加速器;②增强器③储存环④二极铁⑤四极铁⑥扭摆磁铁插入件

 

法国SOLEIL 同步辐射光源

SOLEIL引出同步辐射光至实验线站

 

同步辐射光通过光束线上的单色仪引至实验站,每条束线提供的同步辐射光类别不同,实验站同时提供多种实验分析技术,科学家们因此得以观察物质的微结构,研究物质的化学、电子和磁行为,在生物、医药、材料科学等领域探索。

 

 

法国SOLEIL 同步辐射光源

SOLEIL光束线分布

 

法国SOLEIL 同步辐射光源 法国SOLEIL 同步辐射光源

SOLEIL储存环及加速器高频系统的低温设施

 

法国SOLEIL 同步辐射光源

引出同步光的扭摆磁铁(插入件)HU640

 

法国SOLEIL 同步辐射光源

SOLEIL实验大厅

 

法国SOLEIL 同步辐射光源

SOLEIL的实验站

 

法国SOLEIL 同步辐射光源 法国SOLEIL 同步辐射光源

SOLEIL的实验站

 

♦ 涉及多个学科前沿领域的研究成果

同步辐射光穿透物质本身,使人类了解了物质的亚微态:内在结构和基本性质。如今,越来越多的科学研究需要借助同步辐射实验来实现,尤其是基础科学:物理、纳米科学、化学、材料科学、生命科学、地球和大气科学、环境科学、医药甚至古生物学。

SOLEIL光源同样适用于应用科学研究和持续性发展:医药、生物技术、石化、美容、农产品加工、机械业、冶金、塑料陶瓷玻璃品制造、地理环境、国防、科技警察、文化遗产保护等。它向全法国和全世界开放,包括中小型企业、团体和个人。

(1)医药业

肾结石作为常见疾病,其发病率一直呈增长趋势,工业越发达的国家,发病率越高,法国就有10%的人患有肾结石。这一疾病的检测相当棘手。当诊断出来时常常已是晚期,病人不得不进行手术切除。一位Necker医院的女病人,罹患遗传性肾结石,利用SOLEIL光源上的SMIS束线同步光进行了红外线显微光谱检查,仅仅几小时后就取到了结果,使她较早地发现了病灶,采用了有效的药物治疗,避免了手术的痛苦,保留了既完整又健康的肾。

帕金森病人在法国约有80万,多数为65岁以上的老人。为了寻找有效的治疗方法,必须对其复杂的成因——大脑神经元坏死做全面深入的了解,特别是掌管记忆和智力的神经元。目前,人类对这一疾病还没有找到确切的解释。但科学家们提出一个假设:帕金森症源于肽和β淀粉的粘合。在健康的脑组织中,二者的凝聚是可溶解性的,但对帕金森患者,神经元凝结成板状,多学科研究的结果显示:铜离子介入β淀粉而导致过渡粘合。法国图卢兹(Toulouse)化学实验室利用SOLEIL光源上SAMBA束线的X射线吸收光谱来定义铜离子,分析在低温和常温状态下与β淀粉的相互作用,以研制治疗帕金森病的有效药物和疗法。

 

法国SOLEIL 同步辐射光源

左:正常可溶性β淀粉,健康神经元; 右:铜、锌、铁离子介入,β淀粉凝聚成板状,生病的神经元

 

(2)天文学

46亿年前,太阳系由巨大的分子云裂变,经过近2亿年的演变终于形成。某些原始物质中的物理化学特性保存至今,譬如:彗星,即是那混沌初开时期的遗物。因此,利用SOLEIL光源上的SMIS红外线显微光谱,分析彗星微粒的内部结构和矿物组成,可更清晰地揭开太阳系的神秘面纱。

(3)考古学

地质和考古学家在萨克莱(Saclay)高地勘测和研究过程中,利用SOLEIL光源的高端技术,对发现物体的表面和内部结构做了准确、深入的研究。并利用SOLEIL的造影技术和微提取分析法,更细致地了解了物体的来源、生产工艺和保存方法。

(4)美容业

同步光源很早就应用于美容业,不仅用于美容新产品的研发,而且跟踪使用后的美容效果。目前,利用SOLEIL光源,在SWING、SMIS、DISCO、PSICHE束线上都有这方面的研究,比如:皮肤和头发的分子结构分析,发乳、发胶、摩丝的内在结构、稳定性及老化,水、美容品和皮肤的融合吸收过程及其纳米微结构……

(5)新材料

塑料袋、洗涤剂、洗衣液、胶水,这些人类日常生活的必需品都来自石化工业。它们不仅造成严重的环境污染,而且生产这类产品本身就会产生许多垃圾,它们的销毁又导致二氧化碳的大量排放。因此寻找新材料,将对环境的污染减到最小化,已迫在眉睫。

绿色化学倡导利用催化作用引导化学反应。法国里尔大学的异质催化研究团队为了直接将甲醇转变为二甲氧基甲烷,在SOLEIL光源上SAMBA、ODE束线的X射线吸收光谱上实验了多种催化剂:氧化铼与氧化铝粉末混合或氧化钛与氧化铝粉末混合。这是人类走向植物源生化溶剂和产品的第一步。

 

♦ 科技交流与丰富多彩的科普活动

SOLEIL光源拥有自己的网站:www.Synchrotron-Soleil.fr,每月发行期刊:《Le Rayon de SOLEIL》,每年举行一次年会。自2006年1月以来每年召开一次用户会议,旨在收集加速器的最新运行情况、辐射光源的性能和效果,整理一年来工作的新进展,以及取得的重要研究成果。

 

法国SOLEIL 同步辐射光源 法国SOLEIL 同步辐射光源

SOLEIL发行的《Le Rayon de SOLEIL》期刊

 

SOLEIL是多科学研究的中心,无疑也是科学技术的交流站和传播站。从2002年开始,SOLEIL即对外开放,与各大中小学校、科技活动中心、市政府图书馆和多媒体中心合作,向大众推广加速器的科普知识。每年,成千上万的学生、科技爱好者、市民来这里参观、学习、与科研人员探讨。2009年9月,在奥尔良省议会举办了第七个SOLEIL科学日,主题为《材料与科学大装置》。同时,SOLEIL在科学节、职业论坛、文化遗产日等期间组织丰富多彩的科教活动,并配有流动科普宣传车,鼓励更多的年轻人加入到高科技研究的行列。

 

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SOLEIL的科学日

 

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SOLEIL的宣传资料

 

♦ 为所在地区带来巨大的发展机遇

SOLEIL所在的埃松省(Essonne)历史悠久,但无论是公元前5世纪的克尔特时期,还是中世纪,或者11-12世纪的墨洛温王朝,甚至到20世纪的现代社会,埃松一直属于法国的偏远落后地区。散落的高卢人农场组成了这里主要的地理坐标,几处小村庄从事最简单的农业生产。

法国的一些大学和科研中心逐渐在埃松聚集,包括法国最好的大学——法国综合理工大学校(Ecole Polytechnique)、大型研究机构(Medicin Sante)、大型企业的实验室和活跃的中小企业网络。1998年10月,在埃松省省会埃佛利(Evry)建立了一个由巴黎大区议会、埃松省议会、埃佛利市和法国抗疾病协会联合成立的非盈利性协会“基因谷”科技园(Genopole),这是法国的第一个科技园区,经过10余年的蓬勃发展,基因谷已经拥有20多个实验室、3个国家级研究中心,近70家生物技术公司进驻园区,法国近年基因工程方面的重要工作都在这里完成。

2002年SOLEIL光源落户埃松的萨克莱后给埃松带来了新的发展机遇。在生命科学研究进入后基因组时代之时,蛋白质科学研究已成为各发达国家竞相抢占的制高点。而以蛋白质结构和功能研究为主要目标的结构基因组学研究80%以上的工作需要在第三代同步辐射光源上进行。基因谷与SOLEIL光源联手,可谓“如虎添翼”。

埃松省议会主席在2006年SOLEIL光源的完工仪式上曾骄傲地宣布:因为拥有了最具世界影响力的高端科技,埃松省在科技研发和创新方面飞跃发展,已成为法国最活跃最具吸引力的地区之一。

法国科技界人士认为,SOLEIL第三代光源这种大型科研设施的落户,将进一步增强该地区的科研实力,使巴黎地区成为可与伦敦、慕尼黑、柏林相媲美的国际重要科研城市。

 

高能所科研处 中科院大装置办 资料来自http://www.synchrotron-soleil.fr/

weinxin
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