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先進(jìn)光源ALS
2010-12-22 |文章來源: | 瀏覽次數(shù):  |

 |基本情況|歷史沿革|先進(jìn)光源ALS|電子顯微中心|計(jì)算中心|能源科學(xué)網(wǎng)|應(yīng)用領(lǐng)域|發(fā)展前景|諾貝爾獎(jiǎng)|

LBNL的先進(jìn)光源(Advanced Light Source,簡稱ALS)是美國的國家用戶裝置,它產(chǎn)生強(qiáng)光,用于科學(xué)和技術(shù)研究。作為世界上紫外線和軟X射線束流最亮的光源和在其能區(qū)內(nèi)世界上第一臺第三代同步輻射光源,ALS使以前不可能進(jìn)行的研究成為可能。該裝置歡迎來自世界上的各大學(xué)、工業(yè)部門和政府實(shí)驗(yàn)室的研究人員。其經(jīng)費(fèi)由美國能源部基礎(chǔ)能源局提供。

原建筑坐落在東灣山上,俯瞰舊金山灣,1942年竣工。該建筑由Arthur Brown, Jr.(舊金山市Coit城堡的設(shè)計(jì)師)設(shè)計(jì), 建穹頂結(jié)構(gòu)是為了放置LBNL與E.O.Lawrence同名的184英寸的回旋加速器。該加速器是Lawrence首臺回旋加速器的改進(jìn)型,他因發(fā)明首臺回旋加速器而獲1939年諾貝爾物理獎(jiǎng)。今天,擴(kuò)建的建筑物中安裝有ALS。它是一臺第三代同步加速器和國有用戶裝置,吸引了世界上的科學(xué)家。ALS于1987年開始建造,1993年3月建成,同年10月22日投入運(yùn)行,造價(jià)為9950萬美元。工作人員共有185人,訪問研究人員和學(xué)生每年1200多人,而且人數(shù)在不斷增加。

ALS的工作原理

當(dāng)磁鐵迫使電子在一個(gè)圓形軌道中以接近光的速度運(yùn)行時(shí),電子放射出亮的紫外和X射線光,這些光照在光束線到實(shí)驗(yàn)的端站。

  • 儲存環(huán)中的粒子性質(zhì):電子的額定能量為1.9 GeV

  • 電子束的尺寸;~ 0.20 mm x 0.02 mm (大約人的一根頭發(fā)的尺寸)

  • 運(yùn)行的光束線:27+束流測試設(shè)備

  • 可能的光束線數(shù)量: 60

  • ALS的亮度多大?

    ALS在電磁光譜的X射線區(qū)產(chǎn)生的光,亮度比太陽高10億倍。這個(gè)非同尋常的工具為開展材料科學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、物理和環(huán)境科學(xué)最現(xiàn)代化的研究提供空前的機(jī)會。正在進(jìn)行研究題目包括物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)結(jié)晶學(xué)、臭氧光化學(xué)、生物樣品的X射線顯微學(xué)和光學(xué)測試。 

    ALS的用途

    ALS是個(gè)研究設(shè)施,科學(xué)家們利用它來

    • 研究物質(zhì)的特性;

    • 分析樣品,獲得為量元素;

    • 探明原子和分子的結(jié)構(gòu);

    • 研究生物標(biāo)本;

    • 了解化學(xué)反應(yīng);

    • 制造精微機(jī)器。

    • ALS產(chǎn)生帶有特殊質(zhì)量的主要是X射線的光(右上圖)。科學(xué)家們利用這些X射線作為他們開展工作的工具,正如牙醫(yī)用X 射線作為工具一樣。

      從不同研究項(xiàng)目的許多科學(xué)家可同時(shí)使用ALS。例如,一位科學(xué)家可檢查泥的樣品,尋找微量的有毒污染物,而另一位可同時(shí)研究聚合物,發(fā)現(xiàn)分子是如何排列的。事實(shí):X射線具有比可見光還短的波長。但兩者都是光,又稱電磁輻射。

      為什么ALS這樣大?

      為產(chǎn)生科學(xué)家們需要的波長和亮度的光,ALS的設(shè)計(jì)者們必須創(chuàng)造出一臺大機(jī)器來。它最大的部件—儲存環(huán)的直徑為一個(gè)足球場長度的三分之二。

      儲存環(huán)是個(gè)管狀的真空室,確保

      • 電子束以接近光的速度在儲存環(huán)內(nèi)運(yùn)行;

      • 維持電子束的高能量。

      • ALS的結(jié)構(gòu)

        ALS的直線加速器與同步加速器

        ALS的儲存環(huán)與波蕩器

        ALS的束線與實(shí)驗(yàn)站

        ALS的束調(diào)管

        為什么ALS是個(gè)有用的工具?

        ALS在電磁光譜的遠(yuǎn)紫外和軟X射線區(qū)產(chǎn)生光。該光的波長為0.0001微米到0.1微米。

        為什么ALS是研究物質(zhì)的良好工具,其原因如下:

        原因1

        ALS的光可穿透物質(zhì)。正像牙醫(yī)用X射線看你齒齦內(nèi)部一樣,科學(xué)家們利用ALS的光觀察物質(zhì)的內(nèi)部。

        原因2

        小于所用光波長的任何東西都不可能“看到”。所以要研究原子或分子,必須用相當(dāng)或小于它們尺寸的光波。ALS產(chǎn)生的光,其波長約為原子、分子、化學(xué)鍵的尺寸和晶體中原子位面之間的距離。

        原子、化學(xué)鍵和晶體中原子位面之間的距離全為幾個(gè)埃,大約與ALS的光的波長相同。

        原因3

        來自ALS的光子(或光的粒子)具有與原子中許多電子發(fā)生相互作用的恰當(dāng)能量。下面的圖顯示光照在物質(zhì)上以后可能發(fā)生的情況。

        電子可吸收光子的能量并從物質(zhì)逃脫(如圖上部所示)。十九世紀(jì)晚期,科學(xué)家們觀測到了這個(gè)現(xiàn)象,并把其稱為光電效應(yīng)。

        或物質(zhì)原子中的電子可吸收光子的能量,并跳到一個(gè)更高的能級。電子這樣做時(shí),其原子就稱為“激發(fā)”。很快電子就失去多余的能量,返回到較低的能級 – 這一過程被稱為退激。這一失去的能量常常以光子的形式從原子逃脫。激發(fā)和退激如圖下部所示。

        ALS的科學(xué)家們探測和分析正逃脫的電子或光子,以期更多地了解他們所發(fā)現(xiàn)的原子和物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和行為。這樣的分析要達(dá)到許多目的,例如:

        • 從發(fā)射樣本中,探測稀有元素的存在和數(shù)量;

        • 提供顯示物質(zhì)結(jié)構(gòu)的圖像。

        • 原因4

          ALS是美國亮度最高的軟X射線。這里產(chǎn)生的X射線比牙醫(yī)機(jī)器中用的最大功率X射線管產(chǎn)生的X 射線的亮度高一億倍。高的亮度意味著X射線高度集中。每秒X射線光子可被引導(dǎo)到一種材料的極小區(qū)域。

          原因5

          除了它們的亮度外,ALS的X射線具有其他的有用特性,像可調(diào)諧性、接近相干性、脈沖性質(zhì)和極化。

          既然ALS產(chǎn)生X射線,那么為什么科學(xué)家們就不能像牙醫(yī)那樣僅用X 射線管而非用ALS呢?

          實(shí)驗(yàn)室和牙醫(yī)室有X射線管,它們繼續(xù)用于許多實(shí)驗(yàn)。但當(dāng)ALS用來研究多數(shù)材料時(shí),它比X射線管具有優(yōu)越性。

          一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)是X射線束流延續(xù)的時(shí)間長度。ALS 的束流延伸數(shù)小時(shí),而X 射線管的束流往往有限??茖W(xué)家不能利用X射線管產(chǎn)生的光用于需要很長時(shí)間的實(shí)驗(yàn),例如掃描材料表面尋找雜質(zhì)。

          來自ALS的X 射線還具有與構(gòu)成多數(shù)普通材料的較輕原子中的許多電子繁盛相互作用的恰當(dāng)能量。相互作用必須發(fā)生;否則實(shí)驗(yàn)不會產(chǎn)生信息。X射線管比ALS產(chǎn)生更高能量的光子–使由像金(Au)這樣的非常重的元素組成的物體成像的優(yōu)勢。但是這些高能光子正好通過由輕原子組成的物質(zhì),根本不發(fā)生相互作用。

          ALS的最大優(yōu)點(diǎn)是它的亮度。你可以將ALS的X射線束流與激光加以比較,X射線管的X射線束流與泛光加以比較。雖然它們兩個(gè)每秒都可能產(chǎn)生相同數(shù)量的光子,但是ALS 產(chǎn)生的光子集中在一個(gè)小的區(qū)域,而X射線管產(chǎn)生的光子則分布的到處都是。光子較高集中在比較小的區(qū)域,可使科學(xué)家們增加他們實(shí)驗(yàn)的特異性。他們可以研究較小的物體或選擇更特殊的光子能量(eV的十分之幾)以研究非常特殊的目標(biāo)。

高能所科研處制作 內(nèi)容由侯儒成譯自LBNL網(wǎng)


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