法國SOLEIL 同步輻射光源

SOLEIL光源擁有自己的網(wǎng)站，每月發(fā)行期刊:《Le Rayon de SOLEIL》，每年舉行一次年會。自2006年1月以來每年召開一次用戶會議，旨在收集加速器的最新運(yùn)行情況、輻射光源的性能和效果，整理一年來工作的新進(jìn)展，以及取得的重要研究成果。

SOLEIL是多科學(xué)研究的中心，無疑也是科學(xué)技術(shù)的交流站和傳播站。從2002年開始，SOLEIL即對外開放，與各大中小學(xué)校、科技活動中心、市政府圖書館和多媒體中心合作，向大眾推廣加速器的科普知識。每年，成千上萬的學(xué)生、科技愛好者、市民來這里參觀、學(xué)習(xí)、與科研人員探討。2009年9月，在奧爾良省議會舉辦了第七個(gè)SOLEIL科學(xué)日，主題為《材料與科學(xué)大裝置》。同時(shí)，SOLEIL在科學(xué)節(jié)、職業(yè)論壇、文化遺產(chǎn)日等期間組織豐富多彩的科教活動，并配有流動科普宣傳車，鼓勵(lì)更多的年輕人加入到高科技研究的行列。為所在地區(qū)帶來巨大的發(fā)展機(jī)遇。

SOLEIL所在的埃松省(Essonne)歷史悠久，但無論是公元前5世紀(jì)的克爾特時(shí)期，還是中世紀(jì)，或者11-12世紀(jì)的墨洛溫王朝，甚至到20世紀(jì)的現(xiàn)代社會，埃松一直屬于法國的偏遠(yuǎn)落后地區(qū)。散落的高盧人農(nóng)場組成了這里主要的地理坐標(biāo)，幾處小村莊從事最簡單的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

法國的一些大學(xué)和科研中心逐漸在埃松聚集，包括法國最好的大學(xué)--法國綜合理工大學(xué)校(Ecole Polytechnique)、大型研究機(jī)構(gòu)(Medicin Sante)、大型企業(yè)的實(shí)驗(yàn)室和活躍的中小企業(yè)網(wǎng)絡(luò)。1998年10月，在埃松省省會埃佛利(Evry)建立了一個(gè)由巴黎大區(qū)議會、埃松省議會、埃佛利市和法國抗疾病協(xié)會聯(lián)合成立的非盈利性協(xié)會"基因谷"科技園(Genopole)，這是法國的第一個(gè)科技園區(qū)，經(jīng)過10余年的蓬勃發(fā)展，基因谷已經(jīng)擁有20多個(gè)實(shí)驗(yàn)室、3個(gè)國家級研究中心，近70家生物技術(shù)公司進(jìn)駐園區(qū)，法國近年基因工程方面的重要工作都在這里完成。

2002年SOLEIL光源落戶埃松的薩克萊后給埃松帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。在生命科學(xué)研究進(jìn)入后基因組時(shí)代之時(shí)，蛋白質(zhì)科學(xué)研究已成為各發(fā)達(dá)國家競相搶占的制高點(diǎn)。而以蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能研究為主要目標(biāo)的結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究80%以上的工作需要在第三代同步輻射光源上進(jìn)行?；蚬扰cSOLEIL光源聯(lián)手，可謂"如虎添翼"。

埃松省議會主席在2006年SOLEIL光源的完工儀式上曾驕傲地宣布:因?yàn)閾碛辛俗罹呤澜缬绊懥Φ母叨丝萍迹Ｋ墒≡诳萍佳邪l(fā)和創(chuàng)新方面飛躍發(fā)展，已成為法國最活躍最具吸引力的地區(qū)之一。

SOLEIL由注入器、輸運(yùn)線、儲存環(huán)和同步輻射實(shí)驗(yàn)線站等部分組成。注入器是一臺直線加速器，電子槍產(chǎn)生的正負(fù)電子束在直線加速器中加速后分別注入橢圓形的增強(qiáng)器繼續(xù)加速，直至電子能量直到達(dá)到SOLEIL要求的2.75 GeV。儲存環(huán)周長354米，為了利用產(chǎn)生的同步輻射光，電子進(jìn)入儲存環(huán)后將運(yùn)轉(zhuǎn)幾個(gè)小時(shí)。彎轉(zhuǎn)磁鐵使電子改變通常的線性運(yùn)動軌跡而沿著儲存環(huán)的軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，四極磁鐵使電子束聚焦為頭發(fā)絲般的直徑。扭擺磁鐵(也稱插入件)迫使正負(fù)電子束做波浪形的曲線運(yùn)動，使電子有可能在直線段產(chǎn)生同步輻射光。儲存環(huán)內(nèi)的電子運(yùn)行速度幾乎達(dá)到30萬公里/秒的光速，產(chǎn)生的同步輻射光從遠(yuǎn)紅外、紫外，到硬X射線，光強(qiáng)約為太陽光的1萬倍。引出的光束線位于儲存環(huán)四周，每個(gè)光束線是一個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室。實(shí)際上，SOLEIL設(shè)計(jì)的最大容量可以容納43光束線。

同步輻射光通過光束線上的單色儀引至實(shí)驗(yàn)站，每條束線提供的同步輻射光類別不同，實(shí)驗(yàn)站同時(shí)提供多種實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)，科學(xué)家們因此得以觀察物質(zhì)的微結(jié)構(gòu)，研究物質(zhì)的化學(xué)、電子和磁行為，在生物、醫(yī)藥、材料科學(xué)等領(lǐng)域探索。

同步輻射光穿透物質(zhì)本身，使人類了解了物質(zhì)的亞微態(tài):內(nèi)在結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)。如今，越來越多的科學(xué)研究需要借助同步輻射實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)，尤其是基礎(chǔ)科學(xué):物理、納米科學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、地球和大氣科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)藥甚至古生物學(xué)。

SOLEIL光源同樣適用于應(yīng)用科學(xué)研究和持續(xù)性發(fā)展:醫(yī)藥、生物技術(shù)、石化、美容、農(nóng)產(chǎn)品加工、機(jī)械業(yè)、冶金、塑料陶瓷玻璃品制造、地理環(huán)境、國防、科技警察、文化遺產(chǎn)保護(hù)等。它向全法國和全世界開放，包括中小型企業(yè)、團(tuán)體和個(gè)人。

(1)醫(yī)藥業(yè)

腎結(jié)石作為常見疾病，其發(fā)病率一直呈增長趨勢，工業(yè)越發(fā)達(dá)的國家，發(fā)病率越高，法國就有10%的人患有腎結(jié)石。這一疾病的檢測相當(dāng)棘手。當(dāng)診斷出來時(shí)常常已是晚期，病人不得不進(jìn)行手術(shù)切除。一位Necker醫(yī)院的女病人，罹患遺傳性腎結(jié)石，利用SOLEIL光源上的SMIS束線同步光進(jìn)行了紅外線顯微光譜檢查，僅僅幾小時(shí)后就取到了結(jié)果，使她較早地發(fā)現(xiàn)了病灶，采用了有效的藥物治療，避免了手術(shù)的痛苦，保留了既完整又健康的腎。

帕金森病人在法國約有80萬，多數(shù)為65歲以上的老人。為了尋找有效的治療方法，必須對其復(fù)雜的成因--大腦神經(jīng)元壞死做全面深入的了解，特別是掌管記憶和智力的神經(jīng)元。目前，人類對這一疾病還沒有找到確切的解釋。但科學(xué)家們提出一個(gè)假設(shè):帕金森癥源于肽和β淀粉的粘合。在健康的腦組織中，二者的凝聚是可溶解性的，但對帕金森患者，神經(jīng)元凝結(jié)成板狀，多學(xué)科研究的結(jié)果顯示:銅離子介入β淀粉而導(dǎo)致過渡粘合。法國圖盧茲(Toulouse)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室利用SOLEIL光源上SAMBA束線的X射線吸收光譜來定義銅離子，分析在低溫和常溫狀態(tài)下與β淀粉的相互作用，以研制治療帕金森病的有效藥物和療法。

(2)天文學(xué)

46億年前，太陽系由巨大的分子云裂變，經(jīng)過近2億年的演變終于形成。某些原始物質(zhì)中的物理化學(xué)特性保存至今，譬如:彗星，即是那混沌初開時(shí)期的遺物。因此，利用SOLEIL光源上的SMIS紅外線顯微光譜，分析彗星微粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和礦物組成，可更清晰地揭開太陽系的神秘面紗。

(3)考古學(xué)

地質(zhì)和考古學(xué)家在薩克萊(Saclay)高地勘測和研究過程中，利用SOLEIL光源的高端技術(shù)，對發(fā)現(xiàn)物體的表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)做了準(zhǔn)確、深入的研究。并利用SOLEIL的造影技術(shù)和微提取分析法，更細(xì)致地了解了物體的來源、生產(chǎn)工藝和保存方法。

(4)美容業(yè)

同步光源很早就應(yīng)用于美容業(yè)，不僅用于美容新產(chǎn)品的研發(fā)，而且跟蹤使用后的美容效果。目前，利用SOLEIL光源，在SWING、SMIS、DISCO、PSICHE束線上都有這方面的研究，比如:皮膚和頭發(fā)的分子結(jié)構(gòu)分析，發(fā)乳、發(fā)膠、摩絲的內(nèi)在結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性及老化，水、美容品和皮膚的融合吸收過程及其納米微結(jié)構(gòu)……

(5)新材料

塑料袋、洗滌劑、洗衣液、膠水，這些人類日常生活的必需品都來自石化工業(yè)。它們不僅造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，而且生產(chǎn)這類產(chǎn)品本身就會產(chǎn)生許多垃圾，它們的銷毀又導(dǎo)致二氧化碳的大量排放。因此尋找新材料，將對環(huán)境的污染減到最小化，已迫在眉睫。

綠色化學(xué)倡導(dǎo)利用催化作用引導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)。法國里爾大學(xué)的異質(zhì)催化研究團(tuán)隊(duì)為了直接將甲醇轉(zhuǎn)變?yōu)槎籽趸淄?，在SOLEIL光源上SAMBA、ODE束線的X射線吸收光譜上實(shí)驗(yàn)了多種催化劑:氧化錸與氧化鋁粉末混合或氧化鈦與氧化鋁粉末混合。這是人類走向植物源生化溶劑和產(chǎn)品的第一步。

法國科技界人士認(rèn)為，SOLEIL第三代光源這種大型科研設(shè)施的落戶，將進(jìn)一步增強(qiáng)該地區(qū)的科研實(shí)力，使巴黎地區(qū)成為可與倫敦、慕尼黑、柏林相媲美的國際重要科研城市。

?同步輻射光源是指產(chǎn)生同步輻射的物理裝置。第一代同步輻射光源是寄生于高能物理實(shí)驗(yàn)專用的高能對撞機(jī)的兼用機(jī)，第二代同步輻射光源是基于同步輻射專用儲存環(huán)的專用機(jī)，第三代同步輻射光源為性能更高且儲存環(huán)之直線段可加裝插件磁鐵組件之同步輻射專用儲存環(huán)的專用機(jī)，現(xiàn)在正在研究的自由電子激光器則為新一代的高強(qiáng)度光源設(shè)施。

"上海同步輻射光源"2004年12月25日破土開工，由中國科學(xué)院與上海市人民政府共同向國家申請建造，由中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所承建，總投資約12億元，我國迄今最大的大科學(xué)裝置"上海同步輻射光源"。在我國，第一代同步輻射光源是"北京光源"，第二代光源是合肥國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室，第三代光源就是"上海光源"。

"上海光源"發(fā)出的超強(qiáng)X光將對微觀世界的認(rèn)知帶來一場"成像革命"--它將利用比普通X光機(jī)亮上億倍、強(qiáng)百萬倍的同步輻射光對物質(zhì)進(jìn)行微觀"成像"。接近光速運(yùn)動的電子在磁場中作曲線運(yùn)動改變運(yùn)動方向時(shí)所產(chǎn)生的電磁輻射，也就是同步輻射光源。從上世紀(jì)70年代起，全球建成和在建的同步輻射光源裝置已有60余座。在國際上已經(jīng)建成的20臺第三代同步輻射光源中，"上海光源"的能量居世界第四，僅次于日本、美國、歐洲的有關(guān)設(shè)施。它還將與我國臺灣地區(qū)以及日本、韓國、印度的第三代同步輻射光源一起，形成堪與美歐媲美的亞洲光源群。與第二代合肥同步輻射光源相比，第三代"上海光源"其電子束發(fā)射度約4納米弧度，二者相差近40倍，其得到的光亮度相差約1600倍(約三個(gè)量級)。"上海光源"擁有的高強(qiáng)度、高亮度、高穩(wěn)定性等特性，可用以從事生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)等多學(xué)科的前沿基礎(chǔ)研究，以及微電子、石油、醫(yī)療診斷等高技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)研究。以生命科學(xué)為例，生命科學(xué)已進(jìn)入了后基因組時(shí)代，蛋白質(zhì)科學(xué)已成為各發(fā)達(dá)國家競相搶占的制高點(diǎn)。而以蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能研究為主要目標(biāo)的結(jié)構(gòu)基因組學(xué)研究80%以上的工作需要在第三代同步輻射光源上進(jìn)行。開放共享是大科學(xué)裝置的顯著特點(diǎn)。"上海光源"具有建設(shè)60多條光束線的能力，屆時(shí)可以同時(shí)向上百個(gè)實(shí)驗(yàn)站提供從紅外光到硬X射線的各種同步輻射光，給用戶的供光機(jī)時(shí)將超過5000小時(shí)/年。目前，首批7條光束線與實(shí)驗(yàn)站全部完成安裝和調(diào)試，所有60多條光束線計(jì)劃在未來15年內(nèi)完成安裝調(diào)試。"上海光源"已收到全國78所大學(xué)的301份使用申請，共計(jì)2868個(gè)機(jī)時(shí)段23000個(gè)小時(shí)。如此大規(guī)模的申請，恐怕將'上海光源'明年的機(jī)時(shí)量排進(jìn)去都不夠。

上海同步輻射裝置( Shanghai Synchrotron Radiation Facility，簡稱 SSRF)，是一臺世界先進(jìn)的中能第三代同步輻射光源，總投資計(jì)劃12億人民幣。上海同步輻射裝置的電子儲存環(huán)電子束能量為3.5GeV(35億電子伏特)，僅次于世界上僅有的四臺高能光源(美、日、歐 臺灣各一臺)，居世界第五，超過其它所有的中能光源; X射線的亮度和通量被優(yōu)化在用戶最多的區(qū)域。

上海同步輻射裝置是國家級大科學(xué)裝置和多學(xué)科的實(shí)驗(yàn)平臺，由全能量注入器、電子儲存環(huán)、光束線和實(shí)驗(yàn)站組成。全能量注入器提供電子束并使其加速到所需能量，電子儲存環(huán)儲存電子束并提供同步輻射光，光束線對引出的同步輻射光進(jìn)行傳輸、加工，提供給實(shí)驗(yàn)站上的用戶使用。

(一)提供電子束的全能量注入器

全能量注入器包括電子直線加速器、增強(qiáng)器和注入/引出系統(tǒng)，其作用是向電子儲存環(huán)提供所需的電子束。電子槍產(chǎn)生的能量為10萬電子伏特的電子束，先被約40米長的電子直線加速器加速到3億電子伏特能量，然后被注入到周長約158米的增強(qiáng)器中，由增強(qiáng)器繼續(xù)加速到35億電子伏特，再經(jīng)過注入/引出系統(tǒng)注入到電子儲存環(huán)。這種把電子束加速到了電子儲存環(huán)運(yùn)行能量的注入器叫全能量注入器。整個(gè)注入過程必須通過一套專門設(shè)計(jì)的時(shí)序控制系統(tǒng)來"精確指揮"。

(二)產(chǎn)生同步輻射光的電子儲存環(huán)

電子儲存環(huán)是一個(gè)周長為396米的閉合環(huán)形高科技裝置，相當(dāng)于一個(gè)學(xué)校400米環(huán)形跑道的操場，用來儲存35億電子伏特高能電子束。電子儲存環(huán)是同步輻射光源的主體與核心，其性能直接決定了同步輻射光源性能的優(yōu)劣。它由真空度為10-9乇的超高真空室、高精度磁鐵系統(tǒng)、高頻加速腔、高靈敏的束流探測儀器和控制系統(tǒng)等組成。高精度磁鐵系統(tǒng)是儲存環(huán)的主要部件，包括40臺二極偏轉(zhuǎn)磁鐵、200臺四極聚焦磁鐵和140臺六極色品磁鐵。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，這些磁鐵按特定順序沿環(huán)排列，形成一個(gè)呈20周期的消色散磁聚焦結(jié)構(gòu)，每周期含有一段7米或5米長的直線段。為保證向用戶提供在空間位置上高度穩(wěn)定的同步輻射光，電子束軌道的穩(wěn)定需要被控制在微米量級。

(三)光束線---"橋梁"

光束線沿著電子儲存環(huán)的外側(cè)分布，它是用戶實(shí)驗(yàn)站與電子儲存環(huán)之間的"橋梁"，對從電子儲存環(huán)引出的同步輻射光，按用戶要求進(jìn)行再加工，如分光、準(zhǔn)直、聚焦等，并輸送到用戶實(shí)驗(yàn)站。它包括安裝在真空管道內(nèi)的一系列精密光學(xué)系統(tǒng)，涉及的主要光學(xué)元件有準(zhǔn)直狹縫、聚焦鏡、單色儀(光柵或晶體)和反射鏡等，這些特殊的現(xiàn)代光學(xué)器件對材料、工藝、精度、控制和冷卻等都有十分苛刻的要求。此外它還有快速

真空閥和輻射防護(hù)閘以實(shí)施真空和輻射安全的連鎖保護(hù)。

(四)探索自然奧秘的實(shí)驗(yàn)站

實(shí)驗(yàn)站是科學(xué)家和工程師利用同步輻射光揭開科學(xué)秘密、開發(fā)高新技術(shù)產(chǎn)品的綜合科技平臺。在這里同步輻射光被"照射"到各種各樣的實(shí)驗(yàn)樣品上，同時(shí)科學(xué)儀器紀(jì)錄下實(shí)驗(yàn)樣品的各種反應(yīng)信息或變化，經(jīng)高速計(jì)算機(jī)處理后變成一系列反映自然奧秘的曲線或圖像。

將落戶張江高科技園區(qū)

1999年7月上海同步輻射裝置工程領(lǐng)導(dǎo)小組審議并批準(zhǔn)上海同步輻射裝置落戶上海浦東新區(qū)的張江高科技園區(qū)，占地300畝。地鐵2號線將它與陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)、市中心南京路步行街等直接相連，行程15~20分鐘。由此，上?？赏?1世紀(jì)成為全國乃至世界的多學(xué)科前沿研究中心。

國家科技領(lǐng)導(dǎo)小組已于1997年6月批準(zhǔn)上海同步輻射裝置先進(jìn)行工程預(yù)制研究，以掌握建設(shè)上海同步輻射裝置的關(guān)鍵技術(shù)，形成骨干科技隊(duì)伍。在國家計(jì)委和上海市人民政府的共同支持下，工程預(yù)制研究自1999年起，由工程指揮部在中國科學(xué)院上海原子核研究所組織實(shí)施。目前已完成41項(xiàng)涉及上海同步輻射裝置大部分重大關(guān)鍵技術(shù)非標(biāo)設(shè)備的研制，其中26項(xiàng)達(dá)到國際上第三代同步輻射光源同類設(shè)備的先進(jìn)水平，并于2001年3月通過了由中國科學(xué)院基礎(chǔ)科學(xué)局和上海市計(jì)委共同主持、主要由兩院院士組成的專家組的鑒定。與此同時(shí)，還完成了《上海同步輻射裝置工程初步設(shè)計(jì)》，形成了一支專業(yè)配套、結(jié)構(gòu)合理的設(shè)計(jì)、建設(shè)和研發(fā)骨干科技隊(duì)伍。