上海光源:面向海内外用户 性价比最好

2019年10月24日22:30:07上海光源:面向海内外用户 性价比最好已关闭评论 119 views

上海光源:面向海内外用户 性价比最好

上海光源:面向海内外用户 性价比最好

1月19日通过国家验收的上海同步辐射光源,是目前世界上性能最好的第三代中能同步辐射光源之一。

上海光源国家重大科学工程是我国迄今为止最大的大科学工程,建设内容包括一台能量150MeV的电子直线加速器,一台周长180米、能量3.5GeV的增强器,一台周长432米、能量3.5GeV的电子储存环,首批建设的7条光束线和实验站,公用设施以及主体建筑和辅助建筑;总投资14.344亿元人民币,建设周期52个月;坐落在上海浦东张江高科技园区,占地面积约20万平方米(300亩)。

推动人类文明

上海光源犹如一台功能强大的“超级X光机”和“超级显微镜”,具有波长范围宽、高强度、高亮度、高准直性、高偏振与准相干性、高纯净并可准确计算等一系列比其他人工光源更优异的特性,是继电光源、X光源、激光光源之后第四次为人类的文明带来革命性推动的一个新光源。

 上海光源的特性

 同步辐射光源已经历了3代的快速发展,其间最主要的区别,在于作为发光光源的电子束斑尺寸或电子发射度的迥异。第二代光源的电子束发射度为40~150纳米弧度,而第三代的上海光源的电子束发射度约4纳米弧度,二者相差10~40倍,其得到的光亮度相差100~1600倍,约3个数量级!另一显著差别是可使用的插入件的数量悬殊,第二代光源仅能安装几个插入件,而第三代的上海光源可以安装不少于26个插入件。

 性能价格比高:储存环的能量为3.5GeV,在中能区光源中能量最高,性能优化在用途最广的X射线能区。利用近年来插入件技术的新进展,不仅可在光子能量为1~5keV产生最高亮度的同步辐射光,而且在5~20keV光谱区间可产生性能趋近6~8GeV高能量光源所产生的高亮度硬X光。

 波长范围宽:从远红外直到硬X射线,且连续可调。

 高亮度:其亮度是最强的X光机的上亿倍,主要光谱覆盖区的光亮度为1017~1020光子/(S.mm2.mrad2.10-3bw)。

 优良的脉冲时间结构:其脉冲宽度仅为几十皮秒,可以单束团或多束团模式运行,相邻脉冲间隔可调为几纳秒至微秒量级。

 高偏振:在电子轨道平面上放出的同步光是完全线极化的,而离开电子轨道平面方向发射的同步光则是椭圆极化的,因而是研究具有旋光性的生物分子、药物分子和表现为双色性的磁性材料的有力工具。

 准相干:上海光源从插入件引出的高亮度光具有部分相干性, 为众多前沿学科的显微全息成像分析开辟了道路。

 高稳定性:可以提供十几到几十小时的稳定束流,光束位置稳定度仅约为光斑的10%。

 高效性:上海光源能建设约60条光束线和上百个实验站,给用户的供光机时将超过5000小时/年。

上海光源是面向国内外用户开放的大型科学研究平台,在科学界和工业界有着广泛的应用价值。可用以从事生命、材料、环境、信息、凝聚态物理、原子分子物理、团簇物理、化学、医学、药学、地质学等多学科的前沿基础研究,以及微电子、医药、石油、化工、生物工程、医疗诊断和微加工等高技术开发应用的实验研究。上海光源科学寿命预计30~50年,将是我国实施科教兴国战略、建设创新型国家必不可少的国家级大科学装置。

上海光源具有建设60多条光束线的能力,可以同时向上百个实验站提供各种同步辐射光,每天可容纳数百名来自不同创新单元的科技人员在不同的实验站上开展科技创新工作。

院地合作 共管理

上海光源工程是中央与地方共同投资建设的第一个大科学工程,由中国科学院与上海市人民政府共同向国家申请建造,由中科院上海应用物理所承建和运行。中科院和上海市共同成立了工程领导小组、工程指挥部和工程经理部,同时,成立了工程科学技术委员会、聘任工程总顾问。

其中,工程领导小组组长为中国科学院院长路甬祥,副组长为上海市市长韩正;工程指挥部总指挥为中国科学院副院长江绵恒,副总指挥为上海市常务副市长杨雄;工程经理部总经理为中科院上海应用物理所所长(时任)徐洪杰,中科院上海应用物理所副所长(时任)赵振堂、上海市建设委员会副主任(时任)丁浩为副总经理;工程科学技术委员会主任为中国科学院院士方守贤,中国科学院院士冼鼎昌、中国科学院院士杨福家、中国工程院院士陈森玉为副主任;工程总顾问由中国工程院院士陈森玉担任。

3年出光新纪录

同步辐射是由在超高真空环境中以接近光速运动的荷电粒子在改变运动方向时释放出的电磁波(光)。

上海光源的建成,不仅表明我国在建设大科学工程实验装置方面,具备了高水平的自主创新和技术集成能力,已经进入了国际先进行列,而且将对我国的科技进步、经济发展、资源开发、环境保护、人口与健康等方面产生广泛而深远的影响。

经专家测试和国际评议,上海光源建设质量达到了世界一流水平,其中从破土动工开始,3年出光,创造了“世界纪录”。

工程建设大事记

 2004年12月25日,举行上海光源工程开工典礼,正式破土动工。

 2006年6月10日,主体建筑结构封顶。

 10月15日,35kV电站正式受电,开始试运行。

 11月10日,150MeV电子直线加速器开始隧道内安装。

 2007年4月16日,增强器正式开始隧道安装。

 5月15日,直线加速器启动调束,当日实现电子束出束。

 6月11日,储存环设备总体安装正式启动。

 10月5日4:25,增强器调束成功实现3.5GeV电子束升能。

 11月30日,首批全部7条光束线站前端区设备安装完成。

 12月24日6:54,储存环调束成功实现3GeV电子束储存,在同步光诊断线和BL16B光束线前端区观测到同步辐射光——在开工3周年之际,上海光源出光。

 2008年5月12日11:00,第一条光束线站——小角散射线站首轮调试成功,将聚焦的同步辐射单色光引到实验站样品处。

 6月5日,X射线衍射线站首轮调试成功。

 8月8日16:54,储存环实现3.5GeV束流储存(50mA)。

 10月4日,两条扭摆器光束线站——X射线成像及生物医学应用线站和X射线吸收精细结构谱线站首轮调试成功。

 12月27日,第一条波荡器光束线站——软X射线谱学显微线站首轮调试成功。

 2009年1月28日,第一台真空波荡器自主研制成功,在储存环上安装就位。

 2月6日21:30,硬X射线微聚焦及应用线站首轮调试成功。

 3月7日22:00,首批建设的最后一条光束线站——生物大分子晶体学线站首轮调试成功。

 4月29日,举行上海光源国家重大科学工程竣工典礼,上海光源工程按期建成,总工期52个月。同时,上海光源国家科学中心(筹)正式揭牌。

 5月6日,上海光源正式对国内用户开放试运行。

 2010年1月19日,上海光源工程通过国家发展和改革委员会组织的国家验收。

上海光源的性能参数均达到或优于设计指标,进入国际上性能指标领先的第三代同步辐射光源的行列,其中储存环的有效发射度、轨道稳定度、束流耦合度、软X射线谱学显微线站的能量分辨与空间分辨和生物大分子晶体学光束线总体性能均属国际上同类装置的最好水平之列。上海光源已成为国际上最先进的同步辐射装置之一。

上海光源的建设实现了高水平的集成创新,自主研制的设备超过70%,在国际上同类第三代同步辐射光源中性价比最好。上海光源通过引进消化吸收和自主创新研制,取得了多项国际领先、国际先进、国内首创的自主研制设备及其技术成果。

自主创新的关键技术

 上海光源工程工艺鉴定验收专家委员会认为,上海光源建设单位通过自主研制和国内外合作,研发了一系列国际一流水平的关键设备和高新技术。

 储能型兆瓦级大功率二极磁铁动态数字化电源

 电子增强器的升能过程要求很高的同步跟踪精度,在大的功率下实现高精度的跟踪是电源研制的关键。上海光源与企业合作,实现了跟踪精度好于0.1%。

 另一方面,上海光源自主研制的双闭环功率回收再利用控制技术,使功率因数高达0.96,不但减少了对电网的容量要求,而且对电网的扰动小于5%,达到可忽略的程度,国际领先。

 大型双室不锈钢超高真空系统

 储存环超高真空室是上海光源的核心设备,总长432米。2005年在工程设计阶段,由于铝合金真空室价格上涨等原因,上海光源真空组提出了改用不锈钢真空室的方案——在工程已开工4个月之际,推翻历经两年成功预研的重大技术方案,改用国内加速器界陌生的技术方案,是一件风险很大、难于决策的大事。

 经过7个月的紧张攻关,上海光源研制出合格不锈钢真空室样机,并在上海三井真空设备有限公司的全力配合下,按期完成了储存环全部不锈钢真空室的加工、安装、调试任务。目前,双室不锈钢真空室的设计和技术即将在我国其他加速器上得到应用。

 数字化的快轨道反馈系统

 第三代同步辐射光源要求将100Hz以内的轨道变化控制在束团尺寸的10%以内。快轨道反馈系统是根据实时束流位置数据调整快校正子强度,从而抑制100Hz以内的轨道变化。上海光源建立了快轨道反馈系统的计算机仿真模型和硬件仿真平台,确定了最佳的快轨道反馈系统结构、在线控制参数调节方法。

 椭圆极化波荡器

 上海光源首台椭圆极化波荡器EPU100采用了APPLE-II磁铁结构,能灵活方便地调节垂直磁场和水平磁场的空间相位,从而得到任意极化率的椭圆极化光(包括水平线极化光、垂直线极化光和圆极化光)。为了能精确调节和控制磁气隙和磁相位,总长度为4.3米的EPU100采用了6个独立的驱动系统,其中的4个磁间隙驱动控制系统要达到严格的同步。

 EPU100的设计、集成以及磁场测量和垫补均由上海应用物理所自行完成。

 真空内波荡器

 短周期小间隙真空内波荡器在国内为首次研制。工程经理部组织队伍发扬刻苦钻研、努力拼搏的精神,仅仅用了11个月的时间,就高水平地完成了两台周期长度为25mm、最小间隙为6mm的真空内波荡器的研制,得到了国际专家的一致肯定。目前上海光源正在为韩国光源研制一台周期长度更短、磁间隙更小的真空内波荡器。

 长程面型仪及大尺度非球面光学检测技术

 长程面型仪的研制成功,为上海光源首批线站光学元件的检测提供了“火眼金睛”,其重复精度达到0.05μrad,目前已建立了一套国际先进的大型非球面光学表面高精度测试方法。

 由于明显优于传统设计,目前国际上新发展的长程面型仪已普遍采用上海光源的设计原理。

 变包含角宽能区平面光栅单色器

 变包含角平面光栅单色器是上海光源软X射线谱学显微光束线的核心设备。目前,研制的变包含角平面光栅单色器已经稳定地运行在软X射线谱学显微光束线上,低能端能量分辨能力的实测结果达到22000,处于国际领先水平(目前报道的最好指标是18000)。本设备的研制,打破了国外的技术垄断,有效地提高了国内高端单色器的设计和研制水平。

 长镜精密压弯机构

 上海光源使用的聚焦镜有效光学面积大(长度达840mm),面型误差要求高(切向面型误差2~3μrad),是目前国际最高要求。上海应用物理所与韩国PAL实验室合作,研制出满足工程要求的大型压弯装置。其中,通过在平面镜的特定位置施加平衡力,圆满解决了镜子自重对于面型误差的影响问题,使自重产生的面型误差减少到0.179μrad。通过开展该研制项目,还使光束线工程技术年轻人才得到了锻炼和提高。

 光束线站高热负载热缓释技术

 上海光源波荡器发出的同步辐射光的功率密度约为360W/mm2(在距光源点10米处),已经超过太阳表面和电弧焊的功率密度。上海光源建立了热缓释技术的方法和平台,在变包含角平面光栅单色器(SX700)的研制中采用“凹”型冷却结构的平面镜冷却方案,有效地控制了热变形;设计了高导热碳滤波器的冷却方案,为成功研制高功率扭摆器光束线(成像与生物医学应用光束线站)的滤波器提供保障。

 大型加速器隧道内环境温度稳定度为±0.1℃的控制技术

 实现空调恒温控制面临着诸多技术难度,包括热源扰动非常复杂、发热量难以确定、大的设备发热量和狭小的隧道空间使得送风温差大、冷媒传输距离长等。上海光源在设计中利用CFD模拟技术,通过“设计—模拟—调整—模拟—完成”,克服了季节变换问题和负荷的变化问题;工程方面克服了机电设备种类多、数量大、控制逻辑和连锁烦琐等问题。

 空调和恒温控制系统投入运行后,经测试储存环隧道内束流位置探测器(BPM)附近的空气长期稳定度(24小时内每30分钟测量的平均温度差异)达到±0.1℃。

隧道和实验大厅基础减振技术

 上海光源是国际上首例建造在软土地基上的第三代同步辐射光源,要达到微振动控制指标的难度相当大。经过多家单位的分析研究,上海光源采取了综合微振动控制措施:控制和减少周边区域的振动源的影响;实施结构减振技术。

 实施实施微震动控制后,在储存环隧道基础底板和光束实验大厅基础底板上利用不同仪器多次测量,1~100Hz内垂直方向RMS在安静时段为0.1~0.15μm,嘈杂时段约为0.25μm,达到了微振动控制要求。微振动控制技术是土建结构地基基础工程领域中的全新课题,在上海光源的应用成功填补了该领域的空白。

人才队伍

上海光源工程开工时,工程科技队伍规模在130人左右,队伍年轻、缺乏工程经验。对此,中国科学院上海应用物理所、工程经理部坚持培养与引进相结合、以培养为主的方针,提倡年轻人在“干中学”,重视发挥老同志“传帮带”作用,培育和发扬“上海光源精神”,实行高效的矩阵式组织模式,通过4年多工程建设实践的锻炼,造就了一支自主创新、生机勃勃的工程队伍,尤其是作为工程中坚力量的分总体级、系统级和设备级的骨干队伍成长壮大起来。

目前,上海光源工程队伍总量为372人,平均年龄36.5岁,其中109人具有博士学位、85人具有硕士学位。上海光源工程队伍中40岁以下的有255人,占总人数的68.5%,其中99人聘在高级岗位。

全国人大常委会副委员长、中科院院长路甬祥指出:“上海光源的实践表明,大科学工程建设,不仅需要依靠我们自己的创新队伍,而且可以培养和造就具有自主创新能力的人才队伍。”

开放运行

2009年5月起上海光源对用户开放试运行,截止到2009年11月,收到2009年度用户课题申请582份,累计44628小时,3倍于计划开放机时(2000小时×7条线站);至12月31日,首批7条光束线站累计提供用户机时14428小时,执行公共用户课题395个,涵盖生命科学(包括结构生物学)、凝聚态物理、化学、材料科学、地质考古学、环境和地球科学、高分子科学等学科,涉及100家单位(包括47所高校和43家研究院所),实验人员1520人次、用户932人,取得了一批很好的实验结果;整体装置运行稳定可靠,开机率达94.56%,无故障平均运行时间(MTBF)达31小时,故障平均持续时间1.6小时,达到国际同类装置第一年运行的先进水平(英国Diamond光源2007年开机率92.2%、MTBF为11.5小时)。

2010年,上海光源计划向用户供光4000小时。

 用户实验结果

 细胞膜内蛋白质内切酶Site2中PDZ2功能域与GKASPV片断融合物结构

 清华大学施一公研究组利用在上海光源BL17U光束线站上采集的蛋白质晶体衍射数据,成功解析了细胞膜内蛋白质内切酶Site2中PDZ2功能域与GKASPV片断融合的复合物结构,该结构的解析为研究细胞内胆固醇的转运及调节机制奠定了良好的基础,研究结果已发表在美国《国家科学院院刊》(PNAS)上。

 治疗性抗体Basiliximab抑制IL-2信号通路的分子机制

 Basiliximab是Norvatis公司生产的针对IL-2受体α链(CD25)的治疗性嵌合抗体,它可有效阻断IL-2信号通路,因而在器官移植中能降低免疫排斥反应。中科院上海生科院丁建平研究组通过BL17U光束线站解析了Basiliximab的Fab片段与CD25胞外区复合物的晶体结构。通过与IL-2/IL受体复合物的结构比较,得出了Basiliximab抑制IL-2信号通路的分子机制。这些结果为针对CD25的抗体类药物的开发和改造提供了重要的信息。

 YAP-TEAD复合物结构研究

 Hippo信号的调控与人类肿瘤的发生密切相关。利用BL17U光束线站,复旦大学徐彦辉课题组已经成功得到转录复合物YAP-TEAD的晶体结构并进行了深入的功能研究。同时,他们正在开展针对TEAD的药物筛选的前期工作,根据得到的三维结构信息,筛选阻碍YAP结合的小分子,将成为潜在的药物先导化合物,非常有希望成为抑制肿瘤发生、增生的新药。 

纳米气泡在固—液—气三相界面的形成机制及其在天然水体修复中的应用

 中国科学院生态环境研究中心潘纲课题组通过BL08U光束线站观测得到纳米氧气泡主要分布于硅藻土悬浮颗粒的表面。该实验利用三相界面对纳米气泡的大小、数量、密度等进行操控,制备和稳定大量的氧气纳米气泡,增加水体含氧量和改善底质厌氧环境,使沉水植被尽快得到恢复,解决水体富营养化及由此引起的水污染。研究结果对太湖水环境治理具有重要的指导意义。

 Fe元素及其代谢在卵巢癌发生发展及双氢青蒿素治疗过程中的作用及分子机制研究

 中科院上海应用物理所吴国忠课题组,利用BL14W XAFS光束线实验站,通过快速X射线吸收谱(QXAFS)方法对[BmimCl]19-[FeCl3]离子液体样品中Fe元素的K边在辐照情况下进行了原位探测。研究结果表明,[BmimCl]19-[FeCl3]离子液体中的Fe(Ⅲ)在辐照作用下被还原为Fe(Ⅱ),此反应的反应速度随时间增加而减缓,而Bmim+阳离子的分解速度随时间的变化而增加。由于在此之前对于离子液体的结构研究并没有特别有效的方法,在国际上也很少有人进行同类的工作,因此此方法在同步辐射装置上的开展具有特别的意义。另一方面,此实验的成功也证明了上海光源XAFS线自行发展的QXAFS方法的有效性,拓展了上海光源XAFS线站的应用面。

 动物起源和寒武纪大爆发

 在我国云贵高原发现的贵州瓮安生物群和云南澄江动物群,分别为探索后生动物起源和寒武纪生命大爆发机制提供了无与伦比的化石材料。中科院南京地质古生物所朱茂炎研究组采用同步辐射X射线(BL13W光束线站)显微断层成像等技术,结合地球化学、同位素年代学、沉积学、古生态学等学科进行交叉研究,旨在系统了解瓮安动物辐射事件和寒武纪初期动物辐射事件的本质,以及两次动物辐射事件之间的联系。

《科学时报》 (2010-1-20 A2 国内)

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