美国先进光源 ALS

2019年10月10日21:56:52美国先进光源 ALS已关闭评论 10 views

美国能源部所属劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory,简称LBNL)的先进光源ALS(Advanced Light Source)是世界上紫外线和软X射线束流最亮的光源和在其能区内世界上第一台第三代同步辐射光源,ALS使以前不可能进行的研究成为可能。该装置欢迎来自世界上的各大学、工业部门和政府实验室的研究人员。

 

美国先进光源 ALS

ALS全景

 

ALS于1987年开始建造,1993年3月建成,同年10月22日投入运行,造价为9950万美元。ALS由美国能源部基础能源科学处提供经费支持。

ALS的工作人员大约210人,2005年以来被引用的文章3100多篇。2010财政年度运行经费4900万美元,运行时间5842.6小时,现有光束线39条+束流测试设备。

 

1、ALS的用户

美国先进光源 ALS

 

2、ALS亮度有多高?

ALS在X射线区产生的电磁谱光比太阳亮十亿倍。这个非同寻常的工具为在材料科学、生物学、化学、物理和环境科学研究开展最先进的研究提供前所未有的机会。

正在进行的研究课题和技术包括:探测物质的电子结构、半导体、磁性材料、三维生物成像、蛋白质晶体学、臭氧光化学、生物样品的X射线显微术、化学反应动力学、原子和分子物理及光学测试。

美国先进光源 ALS

 

3、ALS的用途

ALS是个研究设施,科学家们利用它来研究物质的特性;分析样品,获得为量元素;探明原子和分子的结构;研究生物标本;了解化学反应;制造精微机器。

ALS产生带有特殊质量的主要是X射线的光。科学家们利用这些X射线作为他们开展工作的工具,正如牙医用X 射线作为工具一样。

从不同研究项目的许多科学家可同时使用ALS。例如,一位科学家可检查泥的样品,寻找微量的有毒污染物,而另一位可同时研究聚合物,发现分子是如何排列的。事实:X射线具有比可见光还短的波长。但两者都是光,又称电磁辐射。

 

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4、ALS为何有用?

ALS在电磁光谱的远紫外和软X射线区产生光。该光的波长为0.0001微米到0.1微米,是研究物质的良好工具:

原因1:ALS的光可穿透物质。正像牙医用X射线看你齿龈内部一样,科学家们利用ALS的光观察物质的内部。

原因2:小于所用光波长的任何东西都不可能“看到”。所以要研究原子或分子,必须用相当或小于它们尺寸的光波。ALS产生的光,其波长约为原子、分子、化学键的尺寸和晶体中原子位面之间的距离。原子、化学键和晶体中原子位面之间的距离全为几个埃,大约与ALS的光的波长相同。

原因3:来自ALS的光子(或光的粒子)具有与原子中许多电子发生相互作用的恰当能量。下面的图显示光照在物质上以后可能发生的情况。

 

美国先进光源 ALS

 

电子可吸收光子的能量并从物质逃脱(如图上部所示)。十九世纪晚期,科学家们观测到了这个现象,并把其称为光电效应。

或物质原子中的电子可吸收光子的能量,并跳到一个更高的能级。电子这样做时,其原子就称为“激发”。很快电子就失去多余的能量,返回到较低的能级 – 这一过程被称为退激。这一失去的能量常常以光子的形式从原子逃脱。激发和退激如图下部所示。

ALS的科学家们探测和分析正逃脱的电子或光子,以期更多地了解他们所发现的原子和物质的结构和行为。这样的分析要达到许多目的,例如:从发射样本中,探测稀有元素的存在和数量;提供显示物质结构的图像。

原因4:ALS是美国亮度最高的软X射线。这里产生的X射线比牙医机器中用的最大功率X射线管产生的X 射线的亮度高一亿倍。高的亮度意味着X射线高度集中。每秒X射线光子可被引导到一种材料的极小区域。

 

美国先进光源 ALS

 

原因5:除了它们的亮度外,ALS的X射线具有其他的有用特性,像可调谐性、接近相干性、脉冲性质和极化。

既然ALS产生X射线,那么为什么科学家们就不能像牙医那样仅用X 射线管而非用ALS呢?

实验室和牙医室有X射线管,它们继续用于许多实验。但当ALS用来研究多数材料时,它比X射线管具有优越性。

一个明显的优点是X射线束流延续的时间长度。ALS 的束流延伸数小时,而X 射线管的束流往往有限。科学家不能利用X射线管产生的光用于需要很长时间的实验,例如扫描材料表面寻找杂质。

来自ALS的X 射线还具有与构成多数普通材料的较轻原子中的许多电子繁盛相互作用的恰当能量。相互作用必须发生;否则实验不会产生信息。X射线管比ALS产生更高能量的光子–使由像金(Au)这样的非常重的元素组成的物体成像的优势。但是这些高能光子正好通过由轻原子组成的物质,根本不发生相互作用。

ALS的最大优点是它的亮度。你可以将ALS的X射线束流与激光加以比较,X射线管的X射线束流与泛光加以比较。虽然它们两个每秒都可能产生相同数量的光子,但是ALS 产生的光子集中在一个小的区域,而X射线管产生的光子则分布的到处都是。光子较高集中在比较小的区域,可使科学家们增加他们实验的特异性。他们可以研究较小的物体或选择更特殊的光子能量(eV的十分之几)以研究非常特殊的目标。

 

5、ALS的结构

美国先进光源 ALS

 

ALS由直线加速器、增强器、储存环、束流引出、光束线、实验站组成。当电子束团被磁铁强迫进入圆形轨道时,这些束团以接近光的速度运行,发出明亮的紫外和X射线光,通过光束线输送到实验站。

美国先进光源 ALS

美国先进光源 ALS

ALS直线加速器

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ALS增强器

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ALS储存环

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ALS的5厘米周期波荡器

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束流引出口

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ALS束线分布

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ALS实验区

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MERLIN束线上的实验站

 

6、ALS的战略规划(2009年2月)

两个主要因素主导ALS的未来规划:基础能源科学处进行的三年一次的非常成功的评审和担心联邦预算可能会限制今后的项目。因此,要及时更新设想,特别是战略规划。为此,ALS的科学家们最近修订和更新了计划,以确保它既全面,又能大胆地满足用户和21世纪对科学要求的需要。

¨研究领域

来自不同领域的科学家们来到ALS作实验。下面列出的是ALS的光束线所涵盖的最常见的一些研究领域。每个标题下面是包括在这一类内特定类型项目的几个例子。

能源科学:光电、光合作用、生物燃料、能源储存、燃烧、催化、碳捕获/封存。

生物科学:普通生物学和结构生物学。

材料/凝聚物质:相关材料、纳米材料、磁性、聚合物、半导体和水。

物理:原子、分子和光学(AMO)物理及加速器物理。

化学:表面/界面、催化剂、化学动力学(气相化学)、晶体学和物理化学。

地球科学/环境:地球和行星科学、生物修复、气候变化和水化学。

应用科学/技术:光学、超紫外线(EUV)光刻技术、计量、仪器仪表、探测器和新的同步技术。

¨研究技术

在ALS上使用的实验技术分为三大类:光谱仪、衍射和成像。此外,一些技术随时间变化能够捕获变化。点击标题,可更多了解在ALS上采用的这些技术。

光谱学技术:被用于研究由样品发射和吸收的粒子的能量。这些样品暴露于光源光束,通常用来确定化学键和电子运动的特点。

散射技术:利用X射线被固体中的原子紧密晶格偏转时产生的光模式,常用来确定晶体结构和如蛋白质这样的大分子。

成像技术:利用光源的束流来获得所研究的样品的良好空间分辨率的图片,这些技术用于不同的研究领域,如细胞生物学、光刻、红外显微术,放射学和X 射线断层扫描。

时间分辨技术:利用光源光束脉冲性质拍摄一系列的快照,这些快照聚集起来,随时间的推移,可以形成一个样品变化的动态图像。

 

7、2010年科学集锦

• 纳米管富勒烯D5h(1)- C90令人吃惊的外观:

先前未被发现的富勒烯D5h(1)- C90已经由单晶X射线衍射分离和在结构上确定。纳米管D5h(1)- C90,一种具有纳米管一些物理和电气性能的富勒烯的发现,为圆柱形的富勒烯作为纳米管的分子模型提供一个独特的机会。

• 墨西哥湾深海喷油分子测量:

为了研究深水范围井喷泻油的影响,研究人员收集了来自墨西哥湾深海样品,并采用各种技术,包括SR - FTIR分析了它们物理、化学和微生物特征。

• 所有聚合物太阳能电池的结构阻碍效率:

半导体聚合物薄膜是一种可能替代硅为基础的太阳能电池。然而,模型中所有聚合物太阳能电池低的能量转换率是由太大的区域和不太明显的接口造成的。

• 铂纳米团簇好于单晶:

在高压下,铂表面可以急剧改变其结构,以应对大有效区反应物的存在。研究人员使用高压扫描隧道显微镜和环境压力的X 射线光电子能谱研究根据实际情况下催化剂的结构和组成。

• 混合纳米结构中的的成分变异:

混合纳米结构,如尖头带有催化材料的纳米棒允许个别元件单独有新的或改进的功能。然而,直到最近,现在还不清楚改变的生长过程如何影响所需要的特性。

• 细菌生物膜开发实时化学成像:

科学家们已经开发出一种强大的,无标记的方法来探查正在发展的细菌生物膜的化学基础,耦合红外线与首个开放式通道微流平台,以确定形成生物膜发展的化学。细菌生物膜可以抵御拮抗剂,分解顽固的材料和生产生物燃料。

• 远紫外线光刻掩膜缺陷研究:

印刷电脑芯片采用极端紫外线(EUV)光刻技术将能够生产更小、更快和更便宜的半导体。为了更好地发现和描述对EUV光刻技术极为重要的在一个特殊镜子中的缺陷,LBNL的科学家们创造了一种独特的菲涅尔波带显微镜。

• 人类皮质骨断裂行为辐射效应:

为了更好地预测骨破裂,研究人员使用同步辐射微断层照相调查裂纹路径的变化和人类的骨皮质增韧机制。当暴露在高剂量辐射时,研究人员发现,骨头可以在不同大小的尺度失去强度,柔软性和韧性。

• 纳米团簇中选择地点电离影响后续的破碎:

了解纳米系统在原子层面上的的电荷转移过程对设计基于纳米管或二维石墨烯薄片的纳米器件至关重要。研究人员已经了解到,电荷转移和纳米团簇碎裂动力学受最初电离原子环境的影响。

• 首次观测石墨烯中的等离极化子:

一个在ALS上进行角分辨光电子发射能谱(角分辨光电子能谱)实验的国际科学家小组发现,被称为等离极化子的复合粒子在决定石墨的性能中起到至关重要的作用。这是第一次观测石墨烯或任何材料中等离极化子截然不同的能带。

• 铟纳米结构力学行为:

铟由于其优良的润湿性能,延长的延展性和高电导率,是一种微电子应用无铅焊接的关键材料。研究人员研究了铟纳米结构的小规模力学。

• 软X射线整个生物细胞无透镜成像:

科学家们在ALS的光束线9.0.1上利用X射线衍射显微镜,获得整个酵母细胞的图像,分辨率在11至13纳米,这是向来用此方法获得的生物标本最高的分辨率。他们的成功表明,应该很快就可以获得同等分辨率的全细胞全三维成像。

• 太阳能电池用的仿生染料分子:

最具成本效益的太阳能电池不是高端、高效率单晶设备,而是基于有机分子或导电聚合物的低端电池。使用近边X射线精细结构光谱获得制造具有更具竞争性的广泛实施的有机太阳能电池至关重要的知识。

• 环状蛋白质中的旋转点火解释了单向性:

为了解六聚体解旋酶如何沿着一定的单链核酸的极性方向走,LBNL的研究人员利用ALS的X射线晶体学解决六聚体解旋酶的结构,与ATP模仿物和RNA酶作用物结合的Rho转录终止因子(来自大肠杆菌)。

• 结构说明真菌聚酮环化机理:

由称为聚酮合成酶的真菌酶形成的聚酮化合物(PKSs)环由酶的产品模板(PT)结构域介导。然而,从具有高保真线性媒介形成的一个芳香环的形成机制仍不清楚。

 

中国科学院大科学装置办公室

资料来自:http://www.lbl.gov/

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