美国国家同步辐射光源NSLS/NSLCS-II 

2019年10月10日21:59:55美国国家同步辐射光源NSLS/NSLCS-II 已关闭评论 58 views

 

美国布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory,简称BNL)的同步辐射光源NSLS始建于1978年,它的建设决策可从同步加速器的诞生谈起。

1945年,同步加速器作为最新的用于高能物理加速器被提出,用同步加速器可将电子加速到比当时回旋加速器可加速到的更高的能量。加速器将静止的带电粒子,如电子,加速到接近光速。磁铁迫使它们沿着圆形的储存环运行,这些带电粒子沿着切线方向发射出电磁辐射,结果损失能量。这种能量以光的形式发出,称为同步辐射。

美国在纽约州斯克内克塔迪(Schenectady)的通用电气(GE)实验室建造了世界上第二台同步加速器。1947年,这台加速器上首次观测到了同步辐射光。除其他人之外,当时为GE工作的物理学家John Blewett预言同步加速器中轨道运行中的电子产生辐射。他后来成为BNL最有影响的加速器物理学家之一,继续从事质子同步加速器和交变梯度同步加速器的设计、建造工作。

对在电子加速器上从事实验的高能物理学家们来说,同步辐射是一个令人讨厌的东西,因为它造成粒子能量的损失。但凝聚态物理学家们认识到这正是他们研究原子核周围的电子和分子中原子的位置所需要的。所以,早期的同步辐射光源是与物理实验的加速器以“所谓的”寄生方式一起工作,当粒子物理学家们利用电子束时,同步辐射光则用于凝聚态物理学家们的实验。

当美国能源部基础能源科学局认识到需要建造专门用于产生光的第二代电子同步加速器时,便将在BNL建造同步辐射光源NSLS(National Synchrotron Light Source)所需费用列入了预算,该项预算始于1978财政年度。1978年9月28日NSLS破土动工。

 

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1978年开始建造国家同步辐射光源(NSLS)

NSLS分为两个储存环,小环建于1984年,为真空紫外环(0.8 GeV),约有25条光束线,主要提供紫外、可见、红外及部分X光。大环称为X光环(2.5 GeV),建于1986年,约有60条光束线,产生比真空紫外环能量更高的X光。NSLS每天24小时运行,产生世界一流的光束,可同时进行80个以上的不同的实验,每年为400多个学术界、工业界和政府研究机构的2500名科学家提供重要的科研手段。他们无数的研究项目每年大约出650篇论文,其中有125篇以上的论文刊登在主要的学术杂志上。

 

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NSLS鸟瞰            NSLS示意图

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NSLS小环上的一节          NSLS的光束线

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NSLS的真空紫外束线实验大厅

 

NSLS储存环采用了独特的Chasman-Green磁铁聚焦结构,不幸的是NSLS出光前,负责这项独创性设计的两个富有灵感的科学家去世了。Renate Chasman和G. Kenneth Green设计“双聚焦消色差”或一般称为Chasman-Green磁铁聚焦结构。该磁铁聚焦结构是周期性地安排弯转、聚焦和矫正电子束流的磁铁,简单但精致的设计包括可插入设备的直线节。当特殊磁铁插入真空紫外环中的两个直线节和X射线环中的五个直线节后,电子束流“扭摆”,因此发出甚至更强的同步辐射。Chasman和Green在他们的储存环设计中包括这些设备,使得NSLS提供当今世界水平的光束。

 

同步辐射光源NSLS-II 

经过20年的不断改进,NSLS的性能实际上已达到极限。保持和提高NSLS用户的积极性和用户的数量,需要继续提供能够满足它们现在和将来科学上的需要,研制能提供更高的平均亮度和通量的新装置已不得不提上议事日程。这一新的装置被称为NSLS-II,它将保留构成现行NSLS研究特点的跨学科性质,同时提供新的能力以满足用户的进一步要求。

 

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NSLSII的鸟瞰

 

NSLS-II仍属第三代同步辐射光源(3 GeV),其波荡器采用了全新的设计和加工工艺,可达到更强的X射线叠加效果,因此电子团能量级别可有所减小,轨道可相应减小,产生的X射线的亮度将比NSLS高10000倍,是先进的中能电子储存环(3 GeV)。NSLS-II的设计工作从2005年开始,2008年开始建造,2012年投入运行。

2009年3月23日,美国能源部部长朱棣文访问BNL时宣布向该实验室投入1.84亿美元资金,主要用于NSLS-II的研究。朱棣文强调:对于美国的经济繁荣来说,科技的领先地位是至关重要的,这个项目不仅能为经济的短期恢复提供帮助,最重要的是向代表了国家未来的基础研究做了战略投资。

NSLS-II在由20多个插入装置产生的2-20 KeV的能量范围内,提供的光峰值亮度大于1021 光子/秒/0.1%带宽/毫米2/毫弧度2。储存环设计方案按最佳运行方式进行,使电流保持在500毫安,给光束线的光学仪器提供稳定的热负载。为了使3 GeV的 机器在2-20 KeV能量范围内的性能达到最佳,考虑采用短周期(10-15 mm)、小间隙(5 mm)的超导波荡器。

 

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NSLS-II的磁铁单与插入件

 

NSLS-II将为BNL带来新的科学机遇,它所提供的各种能力的组合将在未来几十年内将对美国主要的科学研究项目产生重大影响,例如在国家卫生研究院结构基因组、能源部基因组到生命和其他主要研究项目中起关键作用;大大提高研究凝聚态物理和材料科学的实验能力;提供范围广泛的纳米分辨率探测器,满足国家迅速增加的纳米科学计划;对决定地球和星体演化的过程提供新的解释,这些研究项目涵盖了生命科学、材料科学、化学科学、纳米科学、地球科学、环境科学等广泛的不同学科和研究领域。

·生命科学

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(1)结构生物学:NSLS-II的亮度能够使科研人员解决膜蛋白、大分子组合、药物设计和结构基因组领域里日益困难的问题。

(2)生物医学成像:NSLS-II在软X射线和硬X射线光谱范围内的高亮度能大大提高软X射线成像和硬X射线微探针的空间分辨率。分辨率约为10钠米的整个细胞成像将成为可能。另外,采用冷冻俘获法可探索细胞过程。

·材料科学

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(1)电子关联系统:NSLS-II将极大地提高许多实验技术的能力,特别是利用高能光子约1MeV高分辨率光电子发射技术,使该技术能用在更多样品上;约10MeV分辨率非弹性散射技术,用于研究电子激励;利用相干X射线研究动态学和使复杂区域成像。

(2)磁性和磁性材料:NSLS-II的高亮度和椭圆型极化插入件或极化转换光学设备将极大提高自旋分辨光电子发射、X射线磁性圆二色和共振磁性X射线散射技术的灵敏度,以及这些技术的空间和时间分辨率。

(3)物质和生物材料:过去20 年中,同步辐射在了解弱散射系统的排序性质中起到重要作用。最近,注意力集中到了混合系统上。NSLS-II的高亮度可使研究人员应对确定混合系统中基本排序的主要科学挑战。

(4)先进材料的生成和处理:NSLS-II的高亮度将使实时X射线的研究扩展到微秒级。原子在表面漫射正是在微秒级,这种漫射是许多重要过程的最早阶段。也可利用实时成像重建技术用相干X射线开展斑点实验。

·化学科学

催化剂:NSLS-II的高亮度会将现有的技术扩展到在微秒或微秒以下对催化过程的动力学开展时间分辨研究;启动新实验技术的应用,像高分辨率X射线发射光谱和X射线Raman散射,提供新的光谱信息;可用好于10nm模型系统的光谱显微表征描述新的钠米尺寸催化材料、活性区和模型系统中的吸附物-基旨的相互作用的特点;能对模型系统进行高压研究,帮助填补压力空白。

·纳米科学

NSLS-II的高亮度,连同最近在X射线聚焦光学仪器取得的进展和新的相干X射线成像技术,能使研究人员确定很多不足10钠米空间分辨率的钠米材料的原子结构和化学组成。另外,NSLS-II靠近功能性钠米材料研究中心(CFN),两者的用户可充分利用这两个装置的科学诀窍和仪器设备。

·地球科学

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NSLS-II的高亮度将在更广泛的压力和温度范围内,从有限能力的探索研究到全面材料的表征高精度研究,根本改变高压实验的性质。特别是可以研究高压高温时流变学特性、声子相关特性和化学反应动态特性。

·环境科学

NSLS-II的高亮度通过提供元素特征、高空间和能量分辨率、低浓度探测能力和环境介质中的工作能力,将产生一个表征的新水平。

 

中国科学院大科学装置办公室

资料来自:http://www.bnl.gov/world/

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