能量最高的第三代光源/歷史回顧/結(jié)構(gòu)探秘/光束線和實(shí)驗(yàn)站/重大研究成果/展望未來(lái) 

　　一、世界上能量最高的第三代同步輻射光源

　　日本大型同步輻射設(shè)施SPring-8位于日本列島中央兵庫(kù)縣的播磨科學(xué)花園城（Harima Science Garden City, Hyogo），是世界上能量最高的第三代同步輻射光源。它的英文名稱(chēng)SPring-8（Super Photon ring-8），意為“8GeV的超級(jí)光子環(huán)”，即輸出功率8千兆電子伏。

　　1991年，在日本文部科學(xué)省MEXT（Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology）的領(lǐng)導(dǎo)下，日本原子力研究所JAERI（Japan Atomic Energy Research Institute）和理化學(xué)研究所RIKEN（The Institute of Physical and Chemical Research）開(kāi)始共同負(fù)責(zé)建造SPring-8。首期建設(shè)成本約為1100億日元，土地由兵庫(kù)縣無(wú)償捐贈(zèng)。在該縣政府、縣立大學(xué)和各研究所、商業(yè)企業(yè)的聯(lián)合支持下，工程于1997年竣工，設(shè)施開(kāi)放，由日本同步輻射研究機(jī)構(gòu)JASRI（Japan Synchrotron Radiation Research Institute）負(fù)責(zé)管理，包括光源的運(yùn)行、維護(hù)、改造、用戶(hù)服務(wù)、科技研發(fā)等。JASRI是SPring-8唯一法定管理機(jī)構(gòu)，屬私立非盈利性，雇有員工1000多名，其中80%為研究和技術(shù)人員。自1997年10月正式啟用至2010年，SPring-8共建成55條光束線站，服務(wù)日本及全世界科學(xué)、工業(yè)、企業(yè)界超過(guò)10萬(wàn)人次。

　　日本Spring-8與美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)光子源APS（Advanced Photon Source，Argone）、法國(guó)格勒諾布爾的歐洲同步輻射光源ESRF（Europe Synchrotron Radiation Facility，Grenoble）同為世界三大高能（電子束能量超過(guò)5GeV）大型同步輻射設(shè)施。

　　SPring-8的地理位置圖（圖片來(lái)自Google）

　　SPring-8應(yīng)用于諸多科學(xué)和醫(yī)療領(lǐng)域的研究，如：

　　* 材料科學(xué)：研究先進(jìn)材料的原子和電子結(jié)構(gòu)、極端條件下的材料特性等；

　　* 生命醫(yī)學(xué)：解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，研究生命機(jī)制、藥品設(shè)計(jì)和改進(jìn)、利用相位襯度成像方法進(jìn)行生物樣品高分辨率成像等；

　　* 化學(xué)：催化作用下的動(dòng)力學(xué)，原子和分子光譜，超微量元素及其化學(xué)性質(zhì)； 

　　* 環(huán)境科學(xué)：分析環(huán)境的催化劑，生物樣品中環(huán)境污染的痕量元素； 

　　* 地球和宇宙科學(xué)：分析地殼深層物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和特性，隕石和宇宙層的結(jié)構(gòu)； 

　　* 工業(yè)和核物理：運(yùn)用光子能研究夸克核物理等。

　　SPring-8鳥(niǎo)瞰

　　圍山而建的SPring-8儲(chǔ)存環(huán)

　　鏈接：SPring-8的一些具體數(shù)據(jù) 

　　* 面積：占地141公頃，比甲子園棒球場(chǎng)（Koshien Ballpark）大36倍，比東京圓頂體育場(chǎng)（Tokyo Dome Stadium）大30倍，比東京迪斯尼主題樂(lè)園（Tokyo Disneyland Theme Park）大2.8倍。大儲(chǔ)存環(huán)直徑457米，比四個(gè)足球場(chǎng)的長(zhǎng)度還要長(zhǎng)一些，周長(zhǎng)約1436米。 

　　* 運(yùn)行經(jīng)費(fèi)受經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響，幾乎逐年削減：

　　* 使用費(fèi)：6萬(wàn)日元/小時(shí)。但科學(xué)家如果在此實(shí)驗(yàn)后公開(kāi)研究成果，光源的使用則是免費(fèi)的。 

　　* 耗能：由關(guān)西電力株式會(huì)社公司（the Kansai Electric Power Co. Inc.）提供專(zhuān)用高壓電力。2009年，年消耗電力1.78億千瓦，相當(dāng)于4.9萬(wàn)家庭年平均用電，耗資1.9億日元；天然氣由大阪燃?xì)庥邢薰究萍汲欠植浚╰he Technopolis Branch of Osaka Gas Co. Ltd）提供，2009年使用了131萬(wàn)立方米，相當(dāng)于3300個(gè)普通家庭的用氣，耗資8千萬(wàn)日元；水由三城城鎮(zhèn)供水和污水處理辦公室（Three City-Towns’ Water and Severage Office）負(fù)責(zé)，2009年用水28萬(wàn)噸，同650個(gè)家庭1年的用水，耗資1億日元。 

　　二、歷史回顧

　　1988年10月：建立日本原子力研究所（JAERI）和理化學(xué)研究所（RIKEN）合作組，進(jìn)行大型同步輻射設(shè)施的設(shè)計(jì)和研發(fā)工作。 

　　1989年6月：選址在兵庫(kù)縣的播磨科學(xué)花園城。 

　　1990年12月：成立日本同步輻射研究所（JASRI）。 

　　1991年11月：SPring-8工程動(dòng)工。

　　1993年5月： SPring-8用戶(hù)協(xié)會(huì)成立。

　　1994年10月：實(shí)施“關(guān)于同步輻射設(shè)施的推廣和通用法”，JASRI被指定為“促進(jìn)同步輻射研究和使用的機(jī)構(gòu)”。 

　　1997年3月：同步輻射第一次成功出光。 

　　1997年10月：工程竣工。光源開(kāi)放。 

　　1998年3月：第一屆SPring-8用戶(hù)研討會(huì)召開(kāi)。 

　　1998年5月：束流為100mA的電流在儲(chǔ)存環(huán)成功儲(chǔ)存。 

　　2000年6月：第一條簽約的光束線站開(kāi)始運(yùn)行。 

　　2000年8月：安裝25米長(zhǎng)的波蕩器。 

　　2005年10月1日：日本原子力研究所JAERI改組為日本原子力開(kāi)發(fā)研究機(jī)構(gòu)JAEA（Japan Atomic Energy Agency）撤離SPring-8。光源由日本同步輻射研究所（JASRI）和理化學(xué)研究所（RIKEN）共同管理。 

　　2006年7月：“關(guān)于同步輻射設(shè)施的推廣和通用法”修改為“促進(jìn)重大先進(jìn)科研設(shè)施的公眾化”。

　　2007年3月：選舉JASRI為促進(jìn)設(shè)施使用的唯一注冊(cè)機(jī)構(gòu)。

　　2007年10月：舉行盛大的儀式和座談，慶祝光源成功運(yùn)行10周年。

　　2009年6月：SPring-8接待自開(kāi)放以來(lái)的第10萬(wàn)名用戶(hù)。

　　三、結(jié)構(gòu)探秘

　　SPring-8的加速器主要由四部分組成： 

　　* 注入器，直線加速器Linac，1GeV； 

　　* 增強(qiáng)器，Booster，8GeV；

　　* 大儲(chǔ)存環(huán)，Storage Ring，8GeV，用于高亮度X射線； 

　　* 小儲(chǔ)存環(huán)，NewSUBARU，1.5GeV，用于中型短脈沖軟X射線。

　　1.注入器（Linac） 

　　直線加速器段共配置了26個(gè)3米長(zhǎng)的加速單元，加速電子束能量到1GeV。下圖中紅色部件為一個(gè)四極磁鐵，用于聚焦電子束?！　?/p>

直線加速器　　　　 　　  第一單元 

　　電子束由鋇鎢浸漬的熱離子槍生成。離子槍位于高壓電板，電壓約180KV。脈沖持續(xù)時(shí)間為1ns或40ns。選取的光束被束聚在一個(gè)束聚器上，并與25個(gè)加速腔一起加速到1GeV能量。電子束能散通過(guò)能源壓縮機(jī)系統(tǒng)（ECS）減小。接著，作為注入器的直線加速器把電子束輸送到增強(qiáng)器或NewSUBARU小儲(chǔ)存環(huán)中。 

　　直線加速器的部分參數(shù)：

　　2.增強(qiáng)器（Booster Synchrotron）

　　環(huán)形，周長(zhǎng)396米。從直線加速器輸出的1GeV電子束將在增強(qiáng)器中加速至8GeV。下圖藍(lán)色為偏轉(zhuǎn)磁鐵，用于產(chǎn)生同步輻射光；黃色部件是六級(jí)磁鐵，用于穩(wěn)定電子束。

增強(qiáng)器隧道 增強(qiáng)器分支點(diǎn)（左）電子束輸運(yùn)線SSBT（右） 

　　增強(qiáng)器的磁聚焦結(jié)構(gòu)FODO中，交替排列著彎轉(zhuǎn)磁鐵和四極磁鐵，設(shè)置注入、加速和輸出的重復(fù)頻率為1Hz，諧波數(shù)672。如果注入單一束團(tuán)到儲(chǔ)存環(huán)，則安裝RF淘汰系統(tǒng)，淘汰主束團(tuán)鄰近的其它電子束。專(zhuān)用的計(jì)時(shí)系統(tǒng)根據(jù)儲(chǔ)存環(huán)各個(gè)引出線站所需的光的類(lèi)型，注入不同的束流。 

　　增強(qiáng)器的部分參數(shù)：

　　3.大儲(chǔ)存環(huán)（Storage Ring）

　　電子束從輸運(yùn)線SSBT（左）注入儲(chǔ)存環(huán)（右）

　　巨大的環(huán)形，周長(zhǎng)1436米。它的常規(guī)單元由2個(gè)偏轉(zhuǎn)磁鐵、10個(gè)四級(jí)磁鐵、7個(gè)六級(jí)磁鐵組成，長(zhǎng)約30米。直線節(jié)位于常規(guī)單元之間，用于安裝插件、射頻加速腔，束流注入系統(tǒng)，束流診斷系統(tǒng)等，共計(jì)44個(gè)直線節(jié)。 

　　大儲(chǔ)存環(huán)的部分參數(shù)：

　　大儲(chǔ)存環(huán)可以長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存8GeV的電子束，超過(guò)百小時(shí)。同步輻射消耗的能量通過(guò)安裝在儲(chǔ)存環(huán)周?chē)?個(gè)無(wú)線電站中的加速設(shè)備來(lái)補(bǔ)給。恒流（top—up）注入方式有效地確保了儲(chǔ)存環(huán)中束流流強(qiáng)的恒定。 

　　鏈接：2006年12月7—8日召開(kāi)了東方科技論壇第86次學(xué)術(shù)研討會(huì)，議題為“第三代同步輻射光源束流軌道穩(wěn)定性問(wèn)題”。 

　　日本同步輻射研究所（JASRI）的Kouichi Soutome博士作了關(guān)于“SPring-8的恒流注入與束流軌道穩(wěn)定性”的專(zhuān)題報(bào)告。他首先強(qiáng)調(diào)提供穩(wěn)定的X射線束給用戶(hù)對(duì)于精密實(shí)驗(yàn)的必要性。為了光束位置穩(wěn)定必須抑制束流軌道變化，他指出儲(chǔ)存環(huán)中束流流強(qiáng)恒定的恒流（top-up）注入方式可有效地確保同步輻射光強(qiáng)度穩(wěn)定。SPring-8為此努力研究了各種各樣引起軌道變化的因素來(lái)源，像磁鐵電源的變化，冷卻水引起的真空室振動(dòng)等。

　　SPring-8還改進(jìn)了束流軌道校正系統(tǒng)和相應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)。為了top-up注入，SPing-8采用減小由于注入引起的儲(chǔ)存電子束的振動(dòng)、減小注入電子束損失、保持長(zhǎng)期高純度的單束團(tuán)注入等多種措施。最后，他報(bào)告了SPring-8在束流軌道穩(wěn)定性現(xiàn)狀及top-up注入運(yùn)行模式的性能。SPring-8儲(chǔ)存環(huán)內(nèi)總的電流穩(wěn)定性控制在0.1%以?xún)?nèi)，各束團(tuán)的流強(qiáng)不一致性也控制在10%以?xún)?nèi)。 

　　4.小儲(chǔ)存環(huán)（NewSUBARU）

　　NewSUBARU儲(chǔ)存環(huán) 

　　1.5GeV的小儲(chǔ)存環(huán)NewSUBARU，主要用于研究軟X射線在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。1998年建成，由兵庫(kù)大學(xué)的工業(yè)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室LASTI（Laboratory of Advanced Science and Technology for Industry）負(fù)責(zé)其運(yùn)行。 

　　小儲(chǔ)存環(huán)周長(zhǎng)約119米，由2個(gè)14米和4個(gè)2.6米的直線節(jié)組成。在長(zhǎng)直線節(jié)中，安裝了11米長(zhǎng)的波蕩器和一個(gè)光學(xué)速調(diào)管自由電子激光裝置。直線加速器中1GeV的電子束可直接注入該儲(chǔ)存環(huán)中

　　11米長(zhǎng)的波蕩器

　　小儲(chǔ)存環(huán)的部分參數(shù)：

　　四、光束線和實(shí)驗(yàn)站

　　SPring-8擁有由偏轉(zhuǎn)磁鐵引出的光束線22條，最多可建24條；由插入件引出的光束線26條，最多可建34條，直線節(jié)長(zhǎng)度4.5米；由長(zhǎng)插入件引出的光束線1條，最多可建4條，長(zhǎng)直線節(jié)長(zhǎng)度25米。這些光束線一般設(shè)計(jì)在80米之內(nèi)，但有9條可延伸至300米，3條可延伸至1公里。 

　　1.布局和分類(lèi) 

　　光束線前端組件的設(shè)計(jì)本著足以承受輻射功率，減少接觸的第一件光學(xué)元件的熱負(fù)荷，以及在光束線發(fā)生故障的情況下保護(hù)儲(chǔ)存環(huán)真空。

　　光束線前端

　　光束線

　　* 公共類(lèi)光束線

　　* 日本原子力開(kāi)發(fā)研究機(jī)構(gòu)（JAEA）光束線

　　* 理化學(xué)研究所（RIKEN）光束線

　　* 其它單位光束線

　　* 加速器束流診斷

　　* 臺(tái)灣專(zhuān)屬光束線

　　臺(tái)灣國(guó)家同步輻射研究中心在SPring-8上建造了兩條臺(tái)灣專(zhuān)屬硬X光束線：用于生物結(jié)構(gòu)與材料研究及非彈性X光散射研究。臺(tái)灣擁有75%至80%的使用時(shí)間。

　　大事記

　　1998年12月18日：簽署SPring-8臺(tái)灣專(zhuān)屬光束線之合作備忘錄與合約。 

　　2000年10月：生物結(jié)構(gòu)與材料研究光束線出光并開(kāi)始試運(yùn)行。由儲(chǔ)存環(huán)偏轉(zhuǎn)磁鐵引出，可供研究員從事X光吸收光譜、高解析X光散射、蛋白質(zhì)結(jié)晶學(xué)及微區(qū)繞射等實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行生命科學(xué)、物理、化學(xué)的前瞻性科學(xué)實(shí)驗(yàn)，開(kāi)拓各種尖端材料的全新研究領(lǐng)域。 

　　2000年12月15日：舉行光束線啟用儀式。 

　　2001年初：非彈性X光散射光束線，由儲(chǔ)存環(huán)聚頻磁鐵引出，供研究人員進(jìn)行高相干性電子系統(tǒng)（高溫超導(dǎo)與巨磁電阻前瞻性材料）的尖端研究。 

　　2010年12月2日：舉行“臺(tái)灣專(zhuān)屬光束線十周年慶祝會(huì)”。光束線啟用至今共執(zhí)行了483項(xiàng)計(jì)劃，1657實(shí)驗(yàn)人次，發(fā)表于國(guó)際知名科學(xué)期刊的SCI論文233篇，擁有廣大的用戶(hù)群和豐碩的成果。

　　2.部分實(shí)驗(yàn)站簡(jiǎn)介

　　* BL02B2（粉末衍射）

　　棚屋中安裝了一個(gè)半徑為286.5mm的Debye-Scherrer大型照相機(jī)。其成像板即為探測(cè)器，用于同步收集全粉模式。該相機(jī)可用于較寬的溫度范圍（15 k—1000 k），實(shí)現(xiàn)高算統(tǒng)計(jì)和高角分辨率粉末衍射數(shù)據(jù)的快速收集。

　　* BL04B1（高壓高溫）

　　高壓設(shè)備SPEED-Mk. II是一臺(tái)雙層1500噸夯力多鐵砧壓機(jī)。它使用14*14*14mm的燒結(jié)金剛石砧，產(chǎn)生高壓和高溫條件，達(dá)到50 GPa和2000oC。它可以出色完成能散X射線衍射和高速CCD成像實(shí)驗(yàn)。

　　* BL08W（高能非彈性散射）

　　康普頓（Compton）散射磁譜儀主要由3 T超導(dǎo)磁體和10個(gè)鍺固體探測(cè)器（SSDs）組成。超導(dǎo)磁體可在5秒鐘內(nèi)完成從-3 T到3 T之間的磁場(chǎng)切換。鍺SSDs圍繞掠入X射線束對(duì)稱(chēng)排列，實(shí)現(xiàn)了近180度的散射角。樣品溫度由低溫冷卻器控制，介于10 K和室溫之間。

　　* BL13XU（表面與界面結(jié)構(gòu)）

　　超高真空腔（用于如金屬和半導(dǎo)體等晶體材料的表面）安裝在巨大的X射線衍射儀（直徑3m，高2.3m）上。該腔配有標(biāo)準(zhǔn)的表面分析工具，如低能電子能衍射儀（LEED）和反射式高能電子衍射儀（RHEED）。

　　* BL19B2（工程科學(xué)研究 I）

　　由彎轉(zhuǎn)磁鐵引出的中波段硬X射線束線站，向工業(yè)用戶(hù)開(kāi)放。主要技術(shù)有X射線吸收、衍射、散射和成像。它擁有3個(gè)實(shí)驗(yàn)棚屋：

　　棚屋一：XAFS。距離光源51m, 長(zhǎng)*寬*高分別為4m*3m*3.3m。在傳輸和熒光模式下進(jìn)行X射線吸收和精細(xì)結(jié)構(gòu)測(cè)量，開(kāi)展高能X射線熒光（XRF）分析。

　　棚屋二：X射線衍射。距離光源77m，長(zhǎng)*寬*高為5m*4m*3.3m。安裝的多軸衍射儀進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量和薄膜結(jié)構(gòu)解析，Debye-Scherrer照像機(jī)用于粉末衍射研究。

　　棚屋三：距離光源111m, 大小為8m*4m*3.3m。利用X射線成像技術(shù)進(jìn)行工業(yè)材料的觀察。

　　* BL27XU（軟X射線光化學(xué)）

　　該光束線的C2a實(shí)驗(yàn)站配備研究自由原子和分子的半球形高分辨率電子能量分析儀（Gammadata-SCIENTA，SES-2002）。樣品氣體由多束陣列（MB Scientific AB）注入。該氣體樣品的多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的分辨率下降將減少分子束源的動(dòng)能。

　　* BL35XU（高分辨率非彈性散射）

　　IXS譜儀是一種特殊的科學(xué)儀器，需要非常精準(zhǔn)的“手臂”運(yùn)動(dòng)，而“手臂”又長(zhǎng)又重，10米，6噸（下圖），還要大角度地轉(zhuǎn)動(dòng)：55度。其長(zhǎng)度是為了確保良好的能量分辨率（?1 meV），重量則是在真空飛行軌道上，防止X射線的散射和吸收。另外真空絕緣是為了非常精確地控制光學(xué)儀器的溫度（? mK）。

　　* BL37XU（微量元素分析）

　　該光束線專(zhuān)為適用于各種“X射線熒光分析”設(shè)計(jì)的。

　　棚屋一：配有高空間分辨率X射線微探針，多功能X射線衍射儀，X射線熒光分析儀和高能X射線熒光光譜儀。

　　棚屋二：配有掠入射光譜反射計(jì)和低真空掃描電子顯微鏡SEM。

　　* BL15XU（WEBRAM）

　　智能雙角光電子分析儀（DAPHNIA）用于測(cè)量光電子和俄歇（Auger）電子，“起飛角”可分別設(shè)置。提供至4800 eV的大型光電子動(dòng)能。該儀器已經(jīng)在使用高能量激發(fā)光束方面表現(xiàn)出良好性能。例如，較深核心層的電子激發(fā)，或高動(dòng)能光電子的應(yīng)用。

　　* BL24XU（兵庫(kù)縣）

　　下圖為該光束線棚屋C中用于X射線微量分析的儀器。該儀器使用相位波帶片（phase zone plate）形成強(qiáng)X射線微束，可應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如樣品中微量元素的二維繪圖，聚合物的微衍射和激光二極管中的應(yīng)激分析等。

　　* BL23SU（錒系元素科學(xué)Ｉ）

　　下圖是用于測(cè)量高分辨率光電子光譜儀和軟X射線磁性圓二色譜儀（MCD）。光電子光譜儀的能量分辨率低于2 meV。MCD的超導(dǎo)磁鐵測(cè)量樣品的最大磁場(chǎng)為10 T。這兩種儀器用于錒系材料的電子結(jié)構(gòu)研究，如鈾化合物。

　　* BL45XU（結(jié)構(gòu)生物學(xué)I）

　　建有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)站，用于結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究。蛋白質(zhì)結(jié)晶學(xué)實(shí)驗(yàn)站運(yùn)用X射線結(jié)晶領(lǐng)域的MAD方法，即多波長(zhǎng)異常衍射來(lái)利用同步輻射光。安裝在測(cè)角儀上的用于蛋白質(zhì)晶體的三色譜儀可產(chǎn)生三種不同波長(zhǎng)的Ｘ射線。

　　測(cè)角儀

　　五、重大科研成果

　　1.揭開(kāi)水分子的神秘結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)模式的秘密

　　水是人們?cè)偈煜げ贿^(guò)的物質(zhì)，水分子結(jié)構(gòu)H2O更是眾所周知。但或許人們沒(méi)有深入思考過(guò)：冰將巨大的冷卻能量?jī)?chǔ)存在哪里？為何水在4oC時(shí)密度最大？而4oC以上或以下，水密度都降低？為何固態(tài)冰的密度小于液態(tài)水？

　　日本科學(xué)家在SPring-8進(jìn)行了水和冰的結(jié)構(gòu)解析，一些新發(fā)現(xiàn)解決了長(zhǎng)期以來(lái)爭(zhēng)論不休的關(guān)于水性質(zhì)的問(wèn)題。他們利用高能非彈性散射光束線BL08W，成功地進(jìn)行了康普頓散射（Compton scattering）實(shí)驗(yàn)，直接觀測(cè)到了冰在高分辨率下的結(jié)構(gòu)和功能，核實(shí)了分子動(dòng)力學(xué)模擬的準(zhǔn)確性。這一基礎(chǔ)研究成果，可有助于開(kāi)發(fā)熱儲(chǔ)存材料，解析未來(lái)新材料的熱存儲(chǔ)性。論文發(fā)表在美國(guó)頂級(jí)科學(xué)雜志。

　　其實(shí)早在2008年，日本理化所RIKEN的科學(xué)家們就利用SPring-8的BL17SU光束線和軟X射線光譜，以及小角散射、哈曼（Raman）散射等技術(shù)，提出同時(shí)存在不同氫鍵模式的兩種水狀態(tài)。

　　2.發(fā)展強(qiáng)韌如鐵的通用塑材

　　塑料袋和塑料桶等塑料制品因輕便、防水、廉價(jià)，已成為我們?nèi)粘Ｉ钪袕V泛應(yīng)用且不可或缺的物品。但同時(shí)它也有缺點(diǎn)：抗拉強(qiáng)度低，易變形，不耐高溫。它們由聚乙烯和聚丙烯等聚合物合成制造，在分子水平的結(jié)構(gòu)由碳原子的長(zhǎng)鏈構(gòu)成。聚合物的這種“串狀”結(jié)構(gòu)使塑料制品質(zhì)地如生物材料般柔軟。然而，科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)：材料的抗拉強(qiáng)度會(huì)隨著聚合物的鏈長(zhǎng)加長(zhǎng)而增加；當(dāng)碳鏈擁有與鉆石中碳原子共價(jià)鍵類(lèi)似的抗拉強(qiáng)度時(shí)，通用塑料會(huì)變硬，但不會(huì)有鉆石般的強(qiáng)度。

　　廣島大學(xué)藝術(shù)和科學(xué)綜合研究生院（The Graduate School of Integrated Arts and Sciences, Hiroshima University）的特聘教授彥阪正道（Masamichi Hikosaka）專(zhuān)注于聚合物長(zhǎng)鏈，以及它們結(jié)構(gòu)和特征變化的研究。他通過(guò)X射線衍射和其它方法檢驗(yàn)了聚乙烯長(zhǎng)鏈的共混相結(jié)構(gòu)和其對(duì)性質(zhì)的影響；制定了理想聚合物晶體的生長(zhǎng)機(jī)制、滑動(dòng)和擴(kuò)散的效應(yīng)機(jī)制等。1987年，提出了“聚合物晶化的滑動(dòng)擴(kuò)散理論（Sliding diffusion theory of polymer crystalisation）”。

　　彥阪教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組和他的博士生岡田清香（Kiyoka Okada，她在2003-2007年利用BL40B2光束線，觀察到原子核核化過(guò)程。）從2007年到2010年期間，利用SPring-8的X射線散射裝置，首次成功研發(fā)了一種聚丙烯基、具有強(qiáng)韌拉伸力和超耐熱的新型塑料：NOCs（nano-oriented crystals）。

　　普通塑料之所以抗拉能力差，是因?yàn)榻Y(jié)晶度低。結(jié)晶度在50%左右的，即為高品質(zhì)塑料。換而言之，結(jié)晶度越高，分子間的相互作用力越強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度和耐熱性越強(qiáng)。當(dāng)聚合物分子規(guī)則排列時(shí)，晶體形成。因此若要提高結(jié)晶度，就必須盡可能地讓聚合物分子規(guī)則排列。

Masamichi Hikosaka教授 Kiyoka Okada博士手舉新型聚丙烯

　　彥阪教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)了當(dāng)塑料在熔融狀態(tài)下使聚合物規(guī)則排列的方法，并證明應(yīng)用該方法的結(jié)晶度為92％。因?yàn)镹OCsS的結(jié)構(gòu)看上去像鐵甲，由一小片一小片的鐵板組合而成，因此該模型被稱(chēng)作“鐵甲”模型。新型聚丙烯擁有比普通塑材約七倍的抗拉強(qiáng)度，耐熱溫度達(dá)170°C或更高176°C，透光率99％，可回收，而且價(jià)格便宜，因?yàn)橹恍柙趥鹘y(tǒng)的聚丙烯生產(chǎn)過(guò)程中增加一道工序。

　　這一奇妙的新塑材最可能應(yīng)用于傳統(tǒng)汽車(chē)工業(yè)中鋼鐵車(chē)身的改造，雖然車(chē)身厚度將增加一倍，但重量?jī)H為鋼材的四分之一。

　　3.解析鈣泵動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的變化

　　多種離子參與生物體的生物活性。鈣2+離子促使肌肉運(yùn)動(dòng)，是生物體中至關(guān)重要的離子之一，它儲(chǔ)存在肌原纖維內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中。當(dāng)鈣2+離子被釋放到肌肉細(xì)胞中時(shí)，肌肉即收縮。同時(shí)，鈣2+離子還需回到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中使肌肉舒張。一種稱(chēng)為鈣泵的膜蛋白負(fù)責(zé)泵回鈣2+離子。

　　泵回鈣2+離子，涉及獲取和釋放兩個(gè)過(guò)程參與，鈣泵的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)發(fā)生變化。東京大學(xué)分子和細(xì)胞生物科學(xué)院的豐島教授（Chikashi Toyoshima，Institute of Molecular and Cellular Biosciences of the University of Tokyo）首先發(fā)現(xiàn)了這一結(jié)構(gòu)變化，并解析了9種狀態(tài)下的鈣泵結(jié)構(gòu)。

　　他的研究成果依次發(fā)表在英國(guó)2000年，2002年和2004年的《自然》雜志上。鑒于這一系列的杰出成就，豐島教授被授予2009年的朝日獎(jiǎng)（Asahi Prize）。

　　鈣泵反應(yīng)周期中的某種狀態(tài)

　　左：鈣泵結(jié)構(gòu)變化示意圖。該圖所示為鈣泵反應(yīng)周期中結(jié)構(gòu)變化的一個(gè)環(huán)節(jié)：ATP被束縛，Ca2+離子被困于膜蛋白中。中間的結(jié)構(gòu)變化以灰色呈現(xiàn)。

　　右：2000年《自然》雜志封面

　　4.在隕石上發(fā)現(xiàn)新型磁性材料

　　每年，成千上萬(wàn)噸隕石落到地球，它們表面雖被燒成焦黑，但內(nèi)部的金屬和礦物質(zhì)成分仍保持不變，因此被稱(chēng)作太空的“化石”。它為人類(lèi)了解太陽(yáng)系的奧秘提供了有力證據(jù)。

　　日本同步輻射研究機(jī)構(gòu)的小杉正人博士（Masato Kotsugi, JASRI）利用SPring-8的BL25SU光束線上的光電子發(fā)射顯微鏡（PEEM）解析了鐵隕石的結(jié)構(gòu)。鐵隕石是由富含鐵的α相和富含鎳的γ相組成。小杉博士證實(shí)了在鐵鎳界面處存在一種納米級(jí)的礦物層，稱(chēng)做Tetrataenite。但它在地球上并不存在，將成為一種優(yōu)秀的新型磁性材料。小杉博士近一步分析了Tetrataenite的特點(diǎn)，由50％的鐵和50％的鎳組成，鐵和鎳原子交替排列，為規(guī)則的周期性晶體結(jié)構(gòu)。它產(chǎn)生一種硬磁，即磁化方向不會(huì)輕易改變。著名的硬磁材料包括永久磁鐵和混合動(dòng)力汽車(chē)中發(fā)動(dòng)機(jī)使用的材料。

　　小杉博士的另一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)：Tetrataenite在硬盤(pán)制造方面將是一種很有潛力的替代品。白金（Platinum）是下一代硬盤(pán)不可缺少的材料，但它是一種罕見(jiàn)的金屬，價(jià)格節(jié)節(jié)攀升。目前對(duì)白金的需求已經(jīng)超過(guò)了其生產(chǎn)能力。每年大約有2噸的白金被用于全球硬盤(pán)生產(chǎn)。如果鐵和鎳人工合成的Tetrataenite可以作為硬盤(pán)材料，那么白金的消費(fèi)量將大大減少，從而促進(jìn)資源節(jié)約和硬盤(pán)的低成本生產(chǎn)。

　　日本東北大學(xué)的三椏千春教授（Chiharu Mitsumata, Tohokyu University）正在開(kāi)展人工合成Tetrataenite的基礎(chǔ)研究。

　　小杉博士和三椏教授因而摘得2010年杜布-克勞斯國(guó)際金相大賽第二名的桂冠（DuBose-Crouse Award, International Metallographic Contest）。

　　Masato Kotsugi博士 Chiharu Mitsumata教授

　　5.利用納米技術(shù)成功研制全固態(tài)安全電池

　　京都大學(xué)的北川浩教授（Hiroshi Kitagawa, Kyoto University）和九州大學(xué)的理惠博士（Rie Makiura，Kyushu University）進(jìn)行了納米尺度碘化銀（AgI）粒子的研究。他們?cè)谑澜缟鲜状巫C實(shí)了室溫條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的固體電解質(zhì)的可能。這項(xiàng)研究成果因巨大的發(fā)展?jié)摿Χ艿礁叨戎匾暋Ｕ撐?009年5月發(fā)表在英國(guó)科學(xué)雜志《自然材料》（Nature Materials）上。

　　6.解析了Rab27B和Slac2-a的立體結(jié)構(gòu)

　　2004年，東北大學(xué)生命科學(xué)院研究生院的福田博士（Mitsunori Fukuda, Tohoku University）在分子水平上闡明了黑素細(xì)胞黑素的傳輸機(jī)制。2008年，他與理化學(xué)研究所（RIKEN）的橫山教授（Shigeyuki Yokoyama）合作，在SPring-8上的BL41XU結(jié)構(gòu)生物學(xué)I實(shí)驗(yàn)站成功地解析了Rab27B和Slac2-a的立體結(jié)構(gòu)。他們確定的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)將極大地促進(jìn)新的肌膚美白品和預(yù)防白發(fā)產(chǎn)生的藥物研發(fā)。

　　7.新型口香糖Pos-Ca有效預(yù)防蛀牙

　　江崎格力高有限公司健康科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的田中智子醫(yī)生（Dr.Tomoko Tanaka, the Health Science Laboratory of Ezaki Glico Co, Ltd）發(fā)現(xiàn)磷酸寡糖鈣支持牙齒的再礦化，促進(jìn)了磷酸寡糖鈣（Pos-Ca）新型口香糖的問(wèn)世。

左：Tomoko Tanaka在SPring-8實(shí)驗(yàn)室 右：新型口香糖

　　8.抗流感病毒的新藥研發(fā)

　　流感病毒由8個(gè)RNA基因組成，且病毒粒子表面還有兩種類(lèi)型的穗狀蛋白：血凝素（HA）和神經(jīng)氨酸酶（NA）。由于本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，病毒不能自我復(fù)制。但它們侵入人體宿主細(xì)胞后可利用人體細(xì)胞的復(fù)制系統(tǒng)熟練地進(jìn)行復(fù)制。

　　HA如一把鑰匙，在與細(xì)胞表面的糖蛋白結(jié)合后，流感病毒便可侵入人體。NA則在子代病毒從細(xì)胞分離和釋放中起著重要作用，是幫助病毒感染其它細(xì)菌的酵素。構(gòu)成以上兩種蛋白的氨基酸容易產(chǎn)生突變。迄今，科學(xué)家們已發(fā)現(xiàn)了16種HA和9種NA蛋白。這些蛋白質(zhì)任意組合為多種類(lèi)型的流感病毒（H1N1--H16N9）。例如，2009年流行的甲流感H1N1和1997年開(kāi)始流行的H5N1病毒：禽流感。

　　流感病毒共編碼10種蛋白，其中RNA聚合酶在病毒基因復(fù)制中相當(dāng)重要。它包括3個(gè)亞基：PA，PB1和PB2。當(dāng)其中一個(gè)缺乏，RNA聚合酶就失去了酶的功能導(dǎo)致病毒不能復(fù)制。因此，如果能夠確定這3種亞基組合的立體結(jié)構(gòu)，就可以阻斷RNA聚合酶的功能。

　　2008年7月，橫濱市立大學(xué)納米生物學(xué)研究生院山姆博士（Dr. Sam-Yong Park, Graduate School of Nanobioscience, Yokohama City University）成功解析了PA和PB1的組合結(jié)構(gòu)，分析了與病毒復(fù)制相關(guān)的酶結(jié)構(gòu)，這將加快新的抗病毒藥物的研發(fā)。實(shí)現(xiàn)“冬季人們不用再擔(dān)心流感”的愿望為期不遠(yuǎn)了。

　　左：RNA聚合酶亞基示意圖 右下：RNA聚合酶亞基結(jié)構(gòu)

　　右上：PA（239-716）和PB（1-81）復(fù)合體成功結(jié)晶，BL41XU，SPring-8。

　　9.通過(guò)分析彗星塵埃揭示太陽(yáng)系形成的秘密

　　美國(guó)“星塵號(hào)”飛船（Stardust Project, 1999-2007）把分散的懷爾德二號(hào)（81P/Wild）彗星塵埃樣本收集并帶回了地球，人們期望通過(guò)對(duì)這些樣品的分析，獲得關(guān)于彗星及整個(gè)太陽(yáng)系46億年前起源的信息。

　　九州大學(xué)中村智城博士（Dr. Tomoki Nakamura, Kyushu University）對(duì)彗星塵埃進(jìn)行了深入的研究。他利用SPring–8上BL37XU的X射線衍射實(shí)驗(yàn)裝置和高能加速器研究機(jī)構(gòu)（KEK）的同步輻射設(shè)施，分析和測(cè)定了構(gòu)成塵埃的晶體類(lèi)型和豐度比。之后，大阪大學(xué)研究生院的土山晃教授（Akira Tsuchiyama，Osaka University）利用BL47XU的CT掃描，實(shí)現(xiàn)了彗星塵埃的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視化。

　　中村博士發(fā)現(xiàn)“隕石球?！痹从谔?yáng)系外的彗星塵埃，因此不能再用傳統(tǒng)的太陽(yáng)系形成模型解釋。“隕石球?！笔枪爬想E石的主要組成成分，富含鎂、硅和少量的鐵。博士認(rèn)為“球?！钡倪w移發(fā)生在塵埃盤(pán)組成的原始太陽(yáng)系中；但他表示將提高至少20個(gè)樣品的分析精度，以獲得具有統(tǒng)計(jì)意義的結(jié)論。他還將繼續(xù)開(kāi)展彗星隕石年代測(cè)量，確定遷移時(shí)間。預(yù)計(jì)新的太陽(yáng)系形成模型即將建立。

　　10.納米技術(shù)推動(dòng)“新材料”的創(chuàng)新

　　1985年發(fā)現(xiàn)的富勒烯形狀特征——包含60個(gè)碳原子，如同一個(gè)足球——引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。1991年，發(fā)現(xiàn)柱狀碳納米管。2008年1月，名古屋大學(xué)北浦良副教授和筱原久典教授（Ryo Kitaura & Hisanori Shinohara, Nagoya University）成功地合成一種納米級(jí)的金屬絲。

碳的同素異形體：鉆石和石墨，富勒烯和碳納米管

　　純金容易發(fā)生氧化反應(yīng)，但一根非常薄的納米線可以穩(wěn)定地存在于空氣中，因?yàn)榧{米尺度的材料有一個(gè)獨(dú)特的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。為了觀察納米管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，北浦良副教授在SPring –8的BL25SU實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行了固體軟X射線光譜實(shí)驗(yàn)。他觀察到X射線對(duì)Er的吸收是唯一的，從而確定了ErCl3線形成于碳納米管。

在富勒烯中的碳納米管，看起來(lái)像豆莢

ErCL3結(jié)構(gòu)模型（紅色為Er原子，綠色為CL原子）

　　日本東京大學(xué)和理化學(xué)研究所的相田卓三教授（Takuzo AIDA，University of Tokyo/RIKEN）被譽(yù)為世界上最富有想象力和最高產(chǎn)的高分子化學(xué)家。近些年來(lái)，他將SPring-8作為重要的研究工具，首先成功確定了一種新型導(dǎo)電石墨納米管的結(jié)構(gòu)。接著，他以堅(jiān)實(shí)的證據(jù)表明石墨分子的親水性和疏水性在疏水基緊密相連，形成管狀螺旋的分子對(duì)。另外，他還成功設(shè)計(jì)了擁有分子間短程序的液晶相。這兩項(xiàng)研究成果2008年都發(fā)表在美國(guó)化學(xué)協(xié)會(huì)雜志上(《Journal American Chemical Society》）。2009年，“盤(pán)狀分子中的雙連續(xù)立方液晶材料”設(shè)計(jì)榮登美國(guó)化學(xué)協(xié)會(huì)雜志的封面，他也因此獲得美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)高分子化學(xué)獎(jiǎng)。

新型石墨納米管 Takuzo AIDA教授

　　11.發(fā)展地震觀測(cè)技術(shù)

　　在東京工業(yè)大學(xué)（Tokyo Institute of Technology）、日本海洋地球科學(xué)和技術(shù)署（Japan Agency of Marine-Earth Science and Technology）、日本同步輻射研究中心（JASRI）三方通力合作下，發(fā)現(xiàn)地球內(nèi)核在最深部分的材料是六角密排結(jié)構(gòu)的鐵。金屬鐵在超高壓和超高溫條件下的狀態(tài)，類(lèi)似于使用超高壓和超高溫模擬的地球內(nèi)核狀態(tài)?？茖W(xué)家們利用SPring-8高亮度的X射線觀察金屬鐵的單晶結(jié)構(gòu)變化，第一次發(fā)現(xiàn)在高溫高壓極端條件下，六角密排的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。該晶體結(jié)構(gòu)的解析有助于人們對(duì)地震觀測(cè)的分析，大大加強(qiáng)了人們對(duì)地核形成及其發(fā)展變化的認(rèn)識(shí)。這一成果發(fā)表在美國(guó)2010年10月15日的《科學(xué)》雜志上。

　　12.從分子水平解析自我組裝的凝膠機(jī)制

　　日本北九州市立大學(xué)（The University of Kitakyushu）和JARSI的一個(gè)聯(lián)合研究小組最近宣布：利用SPring – 8高亮度同步輻射，在BL03XU先進(jìn)軟材料、BL40B2結(jié)構(gòu)生物學(xué)II實(shí)驗(yàn)站上解析了溶劑在凝膠狀態(tài)下的分子結(jié)構(gòu)。該研究成果得益于有機(jī)凝膠因子（organogelator，低分子量化合物）。只要在其中加入相當(dāng)于1％的溶劑就能使整個(gè)溶劑發(fā)生凝膠，這將大大有助于預(yù)防海上石油泄漏造成的環(huán)境污染。論文在線發(fā)表在2010年10月的《聚合物雜志》上。

　　六、展望未來(lái)

　　傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡分辨率受限于光的波長(zhǎng)，而X射線的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光短1萬(wàn)倍，分辨率達(dá)到原子級(jí)，也就是說(shuō)可以觀察到物質(zhì)中單個(gè)原子的三維結(jié)構(gòu)，X射線廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、生命科學(xué)和材料科學(xué)等。但X射線光源（包括同步輻射）產(chǎn)生的光不甚均勻，波場(chǎng)不相一致；激光則利用一對(duì)鏡子可產(chǎn)生均勻的光。這促使科學(xué)家們竭盡心力探索一種新的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)鏡激光，即X射線自由電子激光（XFEL: X-ray Free Electron Laser）。XFEL是組合了自由電子態(tài)激光特性的X射線，被稱(chēng)為最有前途、最具科學(xué)探索和發(fā)現(xiàn)價(jià)值的未來(lái)新光源，亦被稱(chēng)作“夢(mèng)之光源”和“科學(xué)時(shí)代的新曙光”。它同時(shí)擁有激光和輻射光的雙重特性，可工作于整個(gè)X射線波段區(qū)，它在亮度、相干性和時(shí)間結(jié)構(gòu)上都大大優(yōu)于第三代同步輻射光源，被國(guó)際公認(rèn)為是“第四代光源”的可行技術(shù)路線之一。

　　美國(guó)、歐洲和日本都相繼發(fā)展了XFEL，并提高到國(guó)家戰(zhàn)略的高度予以部署和實(shí)施。美國(guó)斯坦福大學(xué)的直線加速器相干光源LCLS（Linac Coherent Light Source，Stanford Linear Accelerator Center, USA）已經(jīng)在2009年出光，是世界上首個(gè)X射線自由電子激光裝置。歐洲自由電子激光裝置（European XFEL）由德國(guó)DESY和其它11個(gè)歐洲國(guó)家共同參與，核心工程為長(zhǎng)達(dá)3.4公里的地下隧道，已于2010年7月1日正式動(dòng)工，預(yù)計(jì)2014年完工，2015年將進(jìn)行首次科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

　　SPring-8早已著手了XFEL的預(yù)制和研究工作，加速器樣機(jī)也成功產(chǎn)生第一束激光束。2006年，XFEL項(xiàng)目工程開(kāi)工。目前，700米長(zhǎng)8GeV的X射線自由電子激光裝置正在最后的建設(shè)中，預(yù)計(jì)將于2011財(cái)政年度投入運(yùn)行。在

　　黃色區(qū)域：加速器和光束線研發(fā)樓，加速器測(cè)試樣機(jī)安裝在該樓中。

　　紅色區(qū)域：RIKEN和JASRI的聯(lián)合項(xiàng)目SPring-8 XFEL裝置所在地。

　　SPring-8 XFEL鳥(niǎo)瞰

　　1.里程碑式大事記

　　2000年4月：起草XFEL概念設(shè)計(jì)：緊湊型和低成本型。

　　2002年10月：完成短時(shí)高磁場(chǎng)真空波蕩器的研制。

　　2003年12月：電子槍研制成功，發(fā)射率值為世界之最。

　　2004年11月：XFEL的研發(fā)團(tuán)隊(duì)組成。

　　2005年1月：日本文部科學(xué)省MEXT匯報(bào)光與光子科技的未來(lái)研究和發(fā)展政策，XFEL將作為國(guó)家重要科研項(xiàng)目立項(xiàng)。

　　2005年4月：開(kāi)始研制250MeV的測(cè)試裝加速器。日本文部科學(xué)省MEXT的自民黨工作組確定新一代同步輻射光源作為“國(guó)家級(jí)重要的關(guān)鍵技術(shù)”。

　　2005年5月：XFEL用戶(hù)委員會(huì)成立。

　　2005年11月：第一束電子束成功通過(guò)測(cè)試加速器，并證實(shí)產(chǎn)生同步輻射光。

　　2005年12月：日本政府從2006年國(guó)家財(cái)政預(yù)算中撥款23億日元用于XFEL裝置的建設(shè)和研究。

　　2006年2月：RIKEN和SPring-8咨詢(xún)委員會(huì)RSAC指出：自由電子激光XFEL和大型同步輻射設(shè)施SPing-8的聯(lián)合在全世界屬獨(dú)一無(wú)二，因此日本應(yīng)在XFEL的建設(shè)方面起到帶頭作用。

　　2006年4月：RIKEN和日本同步輻射設(shè)施研究機(jī)構(gòu)JASRI成立XFEL項(xiàng)目合作辦公室。

　　2006年6月：在測(cè)試加速器中成功完成49nm UV X射線的激光振蕩，并成功出光。

　　2007年7月：XFEL裝置正式開(kāi)工。

　　2009年3月：加速器大樓和波蕩器所在大樓完工。

　　2009年4月：開(kāi)始安裝電子槍、加速管、波蕩器等。

　　2010年5月：實(shí)驗(yàn)樓建設(shè)完工。

　　2.XFEL設(shè)施

　　SPring-8的X射線可產(chǎn)生比太陽(yáng)亮100億倍的光，而XFEL產(chǎn)生的光要比SPring-8還要亮10億倍，脈沖比現(xiàn)有的X射線源短1000倍。更高亮度的光源使科學(xué)家們能夠更真實(shí)地觀察原子的三維結(jié)構(gòu)和它們的超快速運(yùn)動(dòng)。

　　設(shè)計(jì)參數(shù)：

　　電子束能量：8 GeV

　　電子束直徑：40 um

　　X射線波長(zhǎng)：>0.06 nm

　　X射線峰值功率：5 GW

　　X射線脈沖長(zhǎng)度：<100fsec

　　X射線峰值亮度：1033光子/s/mm2/mrad2/0.1%b.w.

　　電子束的原始品質(zhì)決定了自由電子激光的質(zhì)量。科學(xué)家們特制了一種超高壓熱電子槍?zhuān)褂脝尉р嫛迮鸹镪帢O（CeB6, a single-crystal cerium-hexaboride cathode）來(lái)發(fā)射精細(xì)、準(zhǔn)直性高、穩(wěn)定的電子束。然后，其被輸運(yùn)到電子束壓縮系統(tǒng)內(nèi)，峰值電流將加強(qiáng)到幾千安培。

　　電子束能量通過(guò)C波段直線加速器迅速提高至8GeV，然后輸運(yùn)進(jìn)真空波蕩器產(chǎn)生強(qiáng)烈的XFEL輻射。

　　電子槍和CeB6發(fā)射器

　　左：直線加速器和C波段加速結(jié)構(gòu) 右：真空波蕩器

　　C波段直線加速器是SPring-8和KEK開(kāi)發(fā)的。C波段的加速梯度（35MeV/m）使加速器的長(zhǎng)度大大縮短?？傞L(zhǎng)原為1282米亞微米精度的加速器構(gòu)造，最終安裝在長(zhǎng)為400米的隧道中。

　　C波段直線加速器

　　真空內(nèi)波蕩器

　　3.創(chuàng)造新科技

　　相干X射線成像技術(shù)：可獲得各種材料原子水平的顯微圖像。

　　成像過(guò)程：X射線激光→樣品→相干散射模式→相位恢復(fù)→結(jié)構(gòu)清晰圖像

　　XFEL的超短脈沖可探測(cè)物質(zhì)飛秒的超快速運(yùn)動(dòng)。

　　蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析：新材料解析必將引領(lǐng)生物和醫(yī)學(xué)新功能產(chǎn)品的誕生。

　　活細(xì)胞生物：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集將為活細(xì)胞的研究打開(kāi)了新的道路。

　　納米技術(shù)：超短波的XFEL將有助于創(chuàng)造新功能材料。

　　借助XFEL，科學(xué)家們能夠觀察天文、等離子科學(xué)和基礎(chǔ)物理的極端現(xiàn)象。

　　日本國(guó)家科學(xué)研究院的分子科學(xué)研究所（Institute for Molecular Science）、新瀉大學(xué)（Niigata University）、名古屋大學(xué)（Nagoya University）和JASRI/RIKEN聯(lián)合研究向氬原子輻照強(qiáng)烈的超紫外自由電子激光，成功解析了多電子發(fā)射的具體過(guò)程。

　　科學(xué)家們?yōu)榱司_測(cè)量自由電子激光中的波動(dòng)，分析了激光脈沖以每秒20脈的速度輻照氬原子的所有電子能。他們發(fā)現(xiàn)電子與多光子的吸收只發(fā)生在光強(qiáng)很高時(shí)，并澄清了在多光子吸收過(guò)程中共振態(tài)的重要性。該研究成果表明，在選擇恰當(dāng)?shù)募す獠ㄩL(zhǎng)基礎(chǔ)上相應(yīng)的共振條件，利用X自由電子激光，可以促進(jìn)納米科學(xué)、納米技術(shù)和材料制備的研究。論文發(fā)表在2010年9月24日美國(guó)物理學(xué)會(huì)的科學(xué)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

　　中科院高能物理研究所科研處 中科院大科學(xué)裝置辦公室

　　資料來(lái)自http://www.spring8.or.jp/en/