歐洲的科學(xué)“神燈”/ 歷史回顧 / 復(fù)雜龐大的結(jié)構(gòu) /“免費(fèi)”的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)/廣泛的研究領(lǐng)域 / 輝煌的研究成果 / 令人期待的發(fā)展前景

 　 歐洲的科學(xué)“神燈”

　　第三代同步輻射光源是高性能的基于同步輻射專用儲(chǔ)存環(huán)的裝置，是多學(xué)科前沿研究和高技術(shù)開發(fā)應(yīng)用的一種最先進(jìn)且不可替代的“超級(jí)顯微鏡”，專供科學(xué)家們研究微觀世界的奧秘。因其規(guī)模大、造價(jià)高、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用昂貴，1988年歐洲12個(gè)國家決定投資2.2億法郎共同建造世界首座第三代高能同步輻射光源ESRF（European Synchrotron Radiation Facility），電子束能量60億電子伏特（6 GeV）。ESRF從1994年正式啟用至今，共建成四十條光束線站，提供高亮度、高精度的光源，成為歐洲、乃至世界的科學(xué)及工業(yè)研究強(qiáng)有力的工具和手段。

　　ESRF位于法國東南重要的科研和高技術(shù)工業(yè)城市格勒諾布爾（Grénoble）。該市是歐洲最高山脈阿爾卑斯山的“大門”，并有 “法國硅谷”之稱。穿城而過的兩條河流，伊澤爾河（Isère）和扎克河（Drac）在城西北郊匯合，ESRF就建在這兩條河之間“半島”的尖上。

ESRF位置示意圖（圖片來自Google）

　　藍(lán)天白云下的ESRF

　　阿拉伯故事《一千零一夜》家喻戶曉，其中“阿拉丁神燈”說道誰擁有“神燈”，“神燈”就能滿足他的愿望。同步輻射光源幫助科學(xué)家得以探索原來人類無法想象的物質(zhì)細(xì)微結(jié)構(gòu)，被譽(yù)為科學(xué)的“神燈”。迄今為止，世界上90%的生物大分子：蛋白質(zhì)、ADN、ARN、核糖體、核小體或者病毒都是借助同步輻射光了解的。在目前非常紅火的功能蛋白學(xué)研究中，法國科學(xué)家正是在ESRF上，通過對拿破侖不同年代頭發(fā)中微量元素含量的分析，確定拿破侖是正常病死的，而不是像傳說所言被砒霜毒死，為這個(gè)爭論多年的難題給出了科學(xué)的結(jié)論。

　　第三代同步輻射光源不僅是基礎(chǔ)研究必需的大型科研設(shè)備，而且具有極強(qiáng)的應(yīng)用背景，其建設(shè)對一個(gè)國家的科研和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有積極的推動(dòng)作用。在ESRF建設(shè)過程中，多項(xiàng)頂尖技術(shù)的運(yùn)用不僅推動(dòng)了技術(shù)的進(jìn)步，而且刺激了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。ESRF建成以后，科學(xué)和工業(yè)界雙雙受益——物理學(xué)、化學(xué)、地質(zhì)科學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科有了重要的研究工具；工業(yè)界也利用這里的實(shí)驗(yàn)室復(fù)制工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，研究產(chǎn)品性能、提高產(chǎn)品質(zhì)量。

　　ESRF雇有員工約600名，來自世界30多個(gè)國家，幾乎都具有科技專業(yè)的背景。每年申請前來進(jìn)行各種應(yīng)用科學(xué)研究的項(xiàng)目多達(dá)2000個(gè)，科學(xué)家6300人次（2008年），研究內(nèi)容涉及生物分子、納米結(jié)構(gòu)、聚合體等物理、化學(xué)、材料科學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、地理和地質(zhì)考古等多個(gè)重要領(lǐng)域。

　　從2003年開始，ESRF與毗鄰的勞厄?朗之萬研究所ILL（世界最重要的中子源產(chǎn)生地）、歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室 EMBL（以研究生物分子結(jié)構(gòu)見長）和讓?皮埃爾?埃貝爾結(jié)構(gòu)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室IBS（法國最著名的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究所之一，專家來自法國國家科研中心CNRS和原子能委員會(huì)CEA）一起，結(jié)成了結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究合作伙伴 — 格勒諾布爾結(jié)構(gòu)生物學(xué)聯(lián)合體PSB（Partnership for Structural Biology），專門研究用于醫(yī)學(xué)目的的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，ESRF這盞歐洲的科學(xué)“神燈”更亮更神奇了。

　　格勒諾布爾結(jié)構(gòu)生物學(xué)聯(lián)合體PSB

　　歷史回顧

　　1975年：歐洲科學(xué)基金會(huì)（la Fondation Européenne de la Science）開展可行性研究，計(jì)劃建造以硬X射線見長的高能加速器。

　　1977年：ESF報(bào)告出臺(tái)。

　　1984年：決定在法國東南的格勒諾布爾市建造歐洲同步輻射光源ESRF。

　　1988年：12個(gè)成員國簽署協(xié)議；次年，工程建設(shè)開始。

　　1992年：2月17日，儲(chǔ)存環(huán)調(diào)束出光，獲取第一束X射線束。

　　1994年：正式投入使用，向用戶開放，流強(qiáng)100 mA。

　　1995年：提高流強(qiáng)至200 mA。

　　1998年：建設(shè)工程竣工，共建成40條光束線并投入運(yùn)行。

　　2004年：制定長期戰(zhàn)略規(guī)劃。

　　2007年：升級(jí)改造計(jì)劃出臺(tái)。

　　2008年：ESRF委員會(huì)第50次會(huì)議正式批準(zhǔn)升級(jí)改造計(jì)劃。

　　復(fù)雜龐大的結(jié)構(gòu)

　　法國的ESRF與日本的SPring-8、美國的APS、德國的Petra III現(xiàn)為世界上四大高能光源。

　　ESRF主要由注入器、增強(qiáng)器和儲(chǔ)存環(huán)三大部分組成，被加速的電子束在儲(chǔ)存環(huán)中經(jīng)過磁結(jié)構(gòu)諧振器的振蕩，發(fā)出大量高精度的光，電子束能量60億電子伏特（6 GeV）。

　　注入器：為200 MeV的直線加速器，電子束在真空環(huán)境的電場中逐漸加速，直至接近光速。

　　增強(qiáng)器：為周長300米的同步加速器，內(nèi)含加速腔和偏轉(zhuǎn)磁鐵。磁場效應(yīng)將隨著電子束能量的不斷增大而增大，直到6 GeV。

　　儲(chǔ)存環(huán)：周長844.4米，內(nèi)置64個(gè)偏轉(zhuǎn)磁鐵，320個(gè)四級(jí)磁鐵，224個(gè)六級(jí)鐵；計(jì)16個(gè)單元，每個(gè)單元有一個(gè)6米長的直線節(jié)，其中安裝長至5米的插入件（波蕩器和扭擺器）。電子束團(tuán)每秒鐘圍繞儲(chǔ)存環(huán)旋轉(zhuǎn)30萬圈。

ESRF光源示意圖：1.注入器；2.增強(qiáng)器；3.儲(chǔ)存環(huán)

注入器

增強(qiáng)器

輸運(yùn)線1全景

輸運(yùn)線2　　　　　　　　 儲(chǔ)存環(huán)

儲(chǔ)存環(huán)直線段上的三個(gè)插入件（粉色）

儲(chǔ)存環(huán)部件示意圖：4.偏轉(zhuǎn)磁鐵；5.聚焦磁鐵；6.波蕩器

儲(chǔ)存環(huán)中的二極磁鐵與四極磁鐵

　　儲(chǔ)存環(huán)中的真空內(nèi)波蕩器

　　ESRF發(fā)出的同步輻射光光束像頭發(fā)絲一樣細(xì)，大部分是光度極強(qiáng)的X光，比一般醫(yī)院的X光機(jī)所能提供的光束要亮億萬倍。這樣亮度的X射線開啟了前所未有的探測領(lǐng)域，科學(xué)家可以觀察極小物質(zhì)樣本的精細(xì)結(jié)構(gòu)，分析超稀釋的溶液，或觀察瞬間發(fā)生的化學(xué)和生物反應(yīng)。

　　ESRF的輸出光束線已經(jīng)從初建時(shí)的12條發(fā)展到現(xiàn)在的40條，分為公共類束線和合作研究組（CGR）束線，每條束線一般配置2名科學(xué)家、2名博士后和1名技術(shù)人員。每年來自世界40多個(gè)國家的6000多人次的研究人員使用該設(shè)備提供的高質(zhì)量光源，研究物質(zhì)的原子、分子結(jié)構(gòu)。特別令ESRF自豪的是：它自1994年運(yùn)行至今從未發(fā)生過故障，成為世界上性能最好最可靠、用戶最多、發(fā)表論文最多的X射線輻射光源。歐洲的很多制藥、化妝品、食品、建筑、冶金、微電子等行業(yè)的大企業(yè)都申請到這里來做實(shí)驗(yàn)，如：法國賽諾菲 — 安萬特制藥（Sanofi-Adventis)、歐萊雅化妝品公司（L’Oréal）、聯(lián)合利華等。

　　ESRF的束線分布圖

　　其中的CRG束線：

　　ESRF的40條束線可分為6組：結(jié)構(gòu)生物學(xué)、X射線成像、聚合物結(jié)構(gòu)、材料結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)、動(dòng)力學(xué)和極端條件，分屬于物理學(xué)（Group1- Group3）和生命科學(xué)（Group4- Group6）兩大領(lǐng)域。

　  ESRF為能夠長期致力于結(jié)構(gòu)生物學(xué)方面的研究，新建成了全自動(dòng)化蛋白質(zhì)晶體學(xué)光束線站ID23。它包括兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室，配備高清晰微衍射計(jì)、光學(xué)CCD探測計(jì)。這將大大有助于生物學(xué)家研究成千上萬，甚至上百萬、上億個(gè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，包括它們的詳細(xì)信息和它們相互作用中調(diào)控蛋白質(zhì)功能的機(jī)制，以加快新藥研制的步伐。

全自動(dòng)化蛋白質(zhì)晶體學(xué)光束線站ID23進(jìn)行原子結(jié)構(gòu)測量

ESRF的束線引出與實(shí)驗(yàn)站

探測材料結(jié)構(gòu)　　　　　　　　　 光束線站ID08的儀器設(shè)備

　　ESRF束線和實(shí)驗(yàn)站配備了尖端設(shè)備和儀器：

　　1．棚屋：包括通光孔、篩選機(jī)、單色儀、鏡子。

　　2．實(shí)驗(yàn)站：顯微鏡、光譜儀等提供精確的信息。在大分子結(jié)晶方面，采用機(jī)器人擺放、固定樣品，大大節(jié)約了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

ESRF棚屋外景

  　3．檢測儀：多為電子檢測儀，種類繁多，以保證檢測的高效、快速和高分辨率。 

　　4．控制間：每條線站的運(yùn)行有專門的軟件控制，自動(dòng)管理超大數(shù)量的數(shù)據(jù)和圖像?？茖W(xué)家從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，也將逐漸成為可能。

　　5．?dāng)?shù)據(jù)分析：大部分?jǐn)?shù)據(jù)仍由科學(xué)家們帶回到實(shí)驗(yàn)室后再進(jìn)行分析。在線分析已開始發(fā)展，使研究人員當(dāng)場即可得出樣品概念性的結(jié)果。隨著高科技的進(jìn)步，大規(guī)模的數(shù)據(jù)對信息處理的要求也越來越高。

　　“免費(fèi)”的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

　　ESRF的年度預(yù)算約8500萬歐元（約合1.05億美元），分別用于人員支出（55%），運(yùn)行費(fèi)（25%）和新項(xiàng)目投入（20%），由19個(gè)國家（18個(gè)歐洲國家和亞洲的以色列）共同承擔(dān)，其中200萬歐元來自工業(yè)實(shí)體，350萬歐元來自歐盟的一些科研津貼。2010年預(yù)算9800萬歐元，包括ESRF的升級(jí)改造經(jīng)費(fèi)。

　ESRF成員國的分布（圖中淺綠色表示后加入的國家） 

　　各國出資比例：

　　法國 27.5%，德國 25.5%，意大利 15%，英國 14%，西班牙 4%，瑞士 4%，荷蘭、比利時(shí) 6%，丹麥、芬蘭、挪威、瑞典 4%。其他：葡萄牙1%、以色列1%、奧地利1%、波蘭1%、 捷克共和國、匈牙利、斯洛伐克1.05%。

　　ESRF的中心大樓

　　每年在ESRF上做實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目有5000多個(gè)，實(shí)驗(yàn)室聘請實(shí)驗(yàn)室以外、來自世界各地的專家每年兩次對申請項(xiàng)目進(jìn)行評審、篩選。項(xiàng)目一旦入選，ESRF投資國的專家到這里做實(shí)驗(yàn)的所有費(fèi)用，包括國際旅費(fèi)、在格勒諾布爾的吃、住、行以及實(shí)驗(yàn)費(fèi)用都由實(shí)驗(yàn)室提供；投資國以外國家的專家則可以免費(fèi)在這里做實(shí)驗(yàn)?！懊赓M(fèi)”的前提是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果論文必須公開發(fā)表。世界上50多臺(tái)同步加速器，ESRF是發(fā)表論文最多的地方，每年發(fā)表論文1500多篇（2009年1550篇）。企業(yè)也可申請?jiān)谶@里做實(shí)驗(yàn)，但由于結(jié)果是保密的，所以必須付費(fèi)。

　　廣泛的研究領(lǐng)域

　　1. 生物學(xué)：目前最重要的趨勢是研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)是維系生命基礎(chǔ)的大分子，它的功能由結(jié)構(gòu)決定，即三度空間中，分子內(nèi)原子的排列架構(gòu)。X光晶體結(jié)構(gòu)分析就是研究蛋白質(zhì)內(nèi)原子結(jié)構(gòu)的上選工具。自從有了同步輻射光源，X光晶體結(jié)構(gòu)分析就成為了生物學(xué)家不可或缺的工具。

　　2. 化學(xué)：化學(xué)家和生物學(xué)家在研究催化作用時(shí)，必須研究動(dòng)態(tài)的分子反應(yīng)，才能真正了解化學(xué)反應(yīng)是如何發(fā)生的。ESRF就如一個(gè)超級(jí)快速照相機(jī)，可以“拍攝”幾納秒(10-9 s)甚至皮秒(10-12 s)之間發(fā)生的分子結(jié)構(gòu)變化。

　　3. 醫(yī)學(xué)：用ESRF光源攝取心臟、肺臟、腦部影像，輻射劑量將低于現(xiàn)有的醫(yī)療設(shè)備，不僅可減低對人體的侵害，而且可獲得更明晰的影像。ESRF未來有望改善目前癌癥的治療方法。

　　4. 地球科學(xué)：研究地心取樣，幫助科學(xué)家了解地震、火山爆發(fā)等現(xiàn)象，也可推測其它星球上是否有生命存在。使用ESRF可研究極為細(xì)微的樣品在極端的溫度、壓力條件下的反應(yīng)。

　　5. 物理：原子是研究“無限小”世界的基本材料，量子物理學(xué)就是在納米層次研究物質(zhì)的幾何、電子、磁場結(jié)構(gòu)和物質(zhì)相關(guān)特性之間的關(guān)系。ESRF很多用戶從事材料表面原子頂層結(jié)構(gòu)的研究，其應(yīng)用將有助于微電子工業(yè)的發(fā)展。

　　6. 材料學(xué)：合金、半導(dǎo)體、液晶、聚合體、膠體、玻璃、光纖、塑料、觸媒等各式各樣的材料，都可以用X光來研究。生物取樣亦如此。ESRF提供的多種技術(shù)，給予科學(xué)家無限可能。例如研究蜘蛛絲形成時(shí)的結(jié)構(gòu)，可能仿真制造一種像鐵絲一樣堅(jiān)韌、又比尼龍更有彈性的聚合體。

　　7. 環(huán)境科學(xué)： ESRF的研究者正在開發(fā)潔凈能源，并分析受到輻射污染的土壤、水。

　　8. 工業(yè)應(yīng)用：在ESRF進(jìn)行的研究有1/4以上和工業(yè)應(yīng)用直接有關(guān)。ESRF可以模擬工業(yè)生產(chǎn)時(shí)的電場、磁場、機(jī)械限制、化學(xué)反應(yīng)、溫度、濕度、壓力等條件，制藥、化妝品、農(nóng)產(chǎn)、建筑、微電子、冶金、制紙、化學(xué)等工業(yè)集團(tuán)都與ESRF合作研發(fā)。

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　　　　 拜耳醫(yī)藥　　　　 薩諾菲—安萬特集團(tuán)　　法國道達(dá)爾

　　　 施奈德電氣　　　　 　　葛蘭素史克　　　 聯(lián)合利華

歐萊雅　　 法國阿海砝集團(tuán)　 德國馬克思-普朗克研究所

 歐洲空間局　日本大發(fā)株式會(huì)社 丹麥諾和諾德制藥 比利時(shí)UCB制藥

　　輝煌的研究成果

　　2011年3月16日，ESRF創(chuàng)造了一項(xiàng)新紀(jì)錄：連續(xù)33.1天（795.5小時(shí)）保持無束流損失的用戶運(yùn)行模式。100%可用性的優(yōu)質(zhì)光源為科學(xué)研究的成功提供了強(qiáng)有力的工具和保障。

　　科學(xué)家們在ESRF取得了許多重要成果，占全世界科研成果的20%，文章幾乎見諸于每期的Science和Nature雜志。例如：用縮微同步輻射光束研究在常溫、常壓下合成具有溶水性和極好韌性及強(qiáng)度的蜘蛛網(wǎng)絲的組成結(jié)構(gòu)；用同步輻射的高亮度光束研究酵母鋸蛋白的結(jié)晶體結(jié)構(gòu)，以更好地了解導(dǎo)致人類克雅氏病、瘋牛病的鋸蛋白的原子機(jī)理；用同步輻射X射線成像技術(shù)研究雪花的三維多孔結(jié)構(gòu)，以發(fā)展預(yù)測雪崩的技術(shù)；多孔的沸石在工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，可用于過濾垃圾、精煉溶劑或清洗劑，石油工業(yè)對它能夠激發(fā)催化反應(yīng)的特性尤其感興趣 — 在其小孔中加入碳水化合物分子，沸石就成為具有選擇性的化學(xué)反應(yīng)器，微電子工業(yè)則認(rèn)為它能夠孤立“量子”納米粒子的能力非常有用，高質(zhì)量的同步輻射光使科學(xué)家能夠精確地了解活性區(qū)域的位置和運(yùn)轉(zhuǎn)情況……

　　在醫(yī)院里，拍X光片已經(jīng)是非常普通的事了，但這一高超的三維造影術(shù)并不能區(qū)分各類軟組織。而在ESRF，當(dāng)X光穿越不同密度的組織時(shí)，相位襯度成像就會(huì)通過勻稱的X射線束的輕微偏差來實(shí)現(xiàn)。這一技術(shù)能分辨各軟組織的差異，從而進(jìn)行腫瘤的早期診斷。

　　一般的癌癥放化治療，是用X光來殺死癌細(xì)胞，但同時(shí)也破壞了周圍的健康組織。ESRF利用超強(qiáng)聚焦的性能，能夠優(yōu)先殺死患病的癌細(xì)胞。

　　在PSB框架下，ESRF研究細(xì)菌的分子機(jī)制，主要針對耐輻射球菌和幽門螺旋桿菌，了解它們?yōu)楹斡腥绱顺瑥?qiáng)的適應(yīng)環(huán)境能力？如：如何改變自身新陳代謝來適應(yīng)極端環(huán)境？耐輻射球菌具有很強(qiáng)的抗電離輻射能力，可耐1萬Gy的輻射。在這種高劑量輻射下，脫氧核糖核酸ADN鏈將被毀壞。但是，耐輻射球菌卻能自行修復(fù)而存活下來。幽門螺旋桿菌是90%腸潰瘍和80%胃潰瘍的原因。胃內(nèi)環(huán)境一般呈酸性，并不利于細(xì)菌的生長，但幽門螺旋桿菌卻能分泌一種激酶以提高PH值而得以存活。

　　2009年，美國科學(xué)家文卡特拉曼·拉馬克里希南（Venkatraman Ramakrishnan ）、托馬斯·施泰茨（Thomas A. Steitz）和以色列科學(xué)家阿達(dá)·約納特（Ada E. Yonath）獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們在原子層面揭示了核糖體的結(jié)構(gòu)和功能。他們曾在NSLS、ALS、APS、SLS、以及ESRF等光源上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用X射線蛋白質(zhì)晶體學(xué)方法成功地繪制出核糖體成千上萬個(gè)原子的3D位置，使科學(xué)家們不僅了解了核糖體的形體，而且在原子層面上揭示了核糖體功能的機(jī)理，這對科學(xué)理解生命是非常關(guān)鍵的。他們繪制的模型已被廣泛應(yīng)用于新抗生素的研制，以減少患者的病痛和拯救生命。ESRF為自己的用戶獲得諾貝爾獎(jiǎng)而感到自豪。

　　2011年2月，ESRF同步輻射光源揭開了梵高畫中向日葵褪色的秘密。雖然大多數(shù)油畫都會(huì)因?yàn)槲酃傅亩逊e和環(huán)境的暴露在幾個(gè)世紀(jì)后失去原本的光澤，但顏料中的鉻黃類（19世紀(jì)的流行色）特別容易褪色。通過X射線熒光、X射線衍射、拉曼散射等分析研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)黃色顏料中的鉻在人為的紫外線老化過程中由六價(jià)的鉻（CrVI）降解成更為穩(wěn)定的三價(jià)鉻（CrIII），明亮的黃變成黯淡的巧克力色。兩篇文章發(fā)表在2月15日的《化學(xué)分析》中。

　　梵高的《塞納河畔》

　　左：2011年；右：2050年，鉻黃將褪色成赭色

　　19世紀(jì)的許多畫家，塞尚、修拉、康斯等的作品中都使用了鉻黃，對這些作品的保存已經(jīng)成了很多博物館的一個(gè)緊迫的憂慮。目前，科研人員正在努力尋找還原褪色顏料的方法。

　　令人期待的發(fā)展前景

　　1. ESRF的升級(jí)改造工程

　　為滿足各國用戶對高亮度高精度X射線束的需求，特別是對納米級(jí)光束線的需求，同時(shí)為了確保ESRF在同步輻射領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位和競爭力，ESRF委員會(huì)于2008年啟動(dòng)了一項(xiàng)雄心勃勃的升級(jí)改造計(jì)劃，預(yù)期十年（2009-2018），并將改造計(jì)劃和愿景寫進(jìn)了紫皮書。

　 升級(jí)改造工程分兩期。一期工程（2009-2015年）的經(jīng)費(fèi)已陸續(xù)調(diào)撥，除0.74億歐元ESRF的改造經(jīng)費(fèi)外，19個(gè)成員國共同投資了1.04億歐元。歐盟第七科技框架計(jì)劃（FP7）也給予了財(cái)政支持，合約1.8億歐元（約2.4億美元）。經(jīng)費(fèi)配比如下：

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　　一期工程的主要目標(biāo)是：

　　* 新建8條世界獨(dú)一無二的高性能光束線站，從2011年逐步投入運(yùn)行；

　　* 改造現(xiàn)有線站、實(shí)驗(yàn)大廳及基礎(chǔ)設(shè)施，保持其世界一流的先進(jìn)水平；

　　* 繼續(xù)提高X射線束流的可用性、穩(wěn)定性、可靠性、靈活性和光源的高亮度；

　　* 重點(diǎn)研發(fā)同步輻射的儀器設(shè)備，保證光源的技術(shù)支持。為此，2008年，ESRF成立了儀器設(shè)備服務(wù)和發(fā)展處（Instrumentation Serviecs and Development Division）。

　　一期工程中部分公共類光束線站的改造：

　　實(shí)現(xiàn)改造計(jì)劃的5大支柱：

　　2. 加速器和X射線光源的改進(jìn)

　　ESRF成功的關(guān)健在于高性能加速器體系可靠地保障了高品質(zhì)X射線束的產(chǎn)生。因此，一期工程改造的一項(xiàng)重要任務(wù)是保持加速器最前沿的科研能力。包括：

　　* 2009年安裝了改進(jìn)后的束流位置診斷系統(tǒng)，提高了束流的穩(wěn)定性，并減小了垂直發(fā)射度，并向超低發(fā)射度努力。

　　ID27實(shí)現(xiàn)了?5 pm，接近了衍射的極限

　　* 將波蕩器直線節(jié)的有效長度延長至6米，甚至7米。這為安裝更多的波蕩器提供更多的可用空間。

　　在聚焦磁鐵和偏轉(zhuǎn)磁鐵之間的直線節(jié)安裝更多更長的波蕩器（粉紅）

　　* 一種由半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展而來的新RF電源將取代基于發(fā)射機(jī)的速調(diào)管。這種新的RF電源更先進(jìn)、穩(wěn)定，替代老化的高功率速調(diào)管技術(shù)，并將緩解注入器Top-up運(yùn)行模式的切換壓力。

　　* 改進(jìn)RF射頻高階模式阻尼腔，以便取代上世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)的目前已老化的射頻腔。較高階模式阻尼技術(shù)是世界上許多同步加速器應(yīng)用的技術(shù)。在ESRF，它將使束流增強(qiáng)至300毫安。這一目標(biāo)已在2010年實(shí)現(xiàn)。

　　這次改造將達(dá)到加速器和X射線光源在最初設(shè)計(jì)時(shí)所制定的最樂觀的預(yù)期目標(biāo)，即首要目標(biāo)是繼續(xù)保持X射線束的可用性、穩(wěn)定性和領(lǐng)先性的世界卓越水平。

　　3. 配套基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備的升級(jí)

　　“納米聚焦X射線束”“納米級(jí)樣品”不是簡單的概念性名詞，它意味著挑戰(zhàn)光學(xué)、探測器、樣品制備、精密機(jī)械，以及電子學(xué)等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)：高能環(huán)、真空波蕩器、超低溫波蕩器、單色鏡的熱負(fù)荷極限、準(zhǔn)直鏡、納米聚焦鏡系統(tǒng)等。

　　* 材料環(huán)境：

　　改造工程的目標(biāo)之一就是創(chuàng)造實(shí)現(xiàn)材料合成的極端環(huán)境。包括：

　　— X射線光纖接入的寬角處，高壓達(dá)到 1 Mbar；

　　— 高溫3000度之上；

　　— 低溫 <1 K；

　　— 脈沖模式下的高磁場 50 T，連續(xù)脈沖模式下 30T。

　　* 探測器：

　　在ESRF進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)往往受限于當(dāng)今的X射線探測器，造成光子傳入的浪費(fèi)和樣品信息的丟失。如今將通過國際合作，從6方面進(jìn)行目標(biāo)性的升級(jí)改造：

　　— 高靈敏度大型探測器；

　　— 高效的傳感器；

　　— 快速成像；

　　— 具有納秒分辨率的混合像素計(jì)數(shù)探測器和2D記錄；

　　— 擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍和像素探測器；

　　— 能量色散 2D探測器

　　* 計(jì)算：

　　在ESRF任何實(shí)驗(yàn)的原始產(chǎn)品都是數(shù)據(jù)，而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以每18個(gè)月翻番的速度增加。10年前，1PB級(jí)的存儲(chǔ)量難以想象。而如今，它已成為歐洲核子中心LHC（15 PB/年）或ESRF（幾個(gè)PB/年）等數(shù)據(jù)密集型設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)單位。目前的挑戰(zhàn)是如何管理如此高效的數(shù)據(jù)流？

　　SRF升級(jí)改造后，整個(gè)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將更加有效和高效，無論是儀器控制、資料詮釋、建模、演示，還是數(shù)據(jù)傳輸和存檔。它將繼續(xù)研發(fā)新的在線、離線軟件，并建立了第二個(gè)數(shù)據(jù)中心。2011年5月26日，新數(shù)據(jù)中心揭幕，將為中央數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、備份和網(wǎng)絡(luò)電子及軟件等提供高品質(zhì)的環(huán)境。

　　用于數(shù)據(jù)備份的磁帶庫　　　　　　　 新計(jì)算資源

　　4. 新建筑

　　實(shí)驗(yàn)大廳的改造方案日趨成熟。2010年5月和11月，初步設(shè)計(jì)報(bào)告和任務(wù)分解報(bào)告獲正式批準(zhǔn)。2011年9月起，ESRF將利用兩次停機(jī)時(shí)間進(jìn)行拆舊安新工作。實(shí)驗(yàn)室將擴(kuò)展至1.8萬平方米，共13條光束線站升級(jí)，其長度將由現(xiàn)在的60-80米延伸至120米-140米，2條新建光束線及輔助建筑將延伸超過200米，甚至達(dá)到250米，以滿足納米聚焦X射線束產(chǎn)生的要求。納米級(jí)X射線束實(shí)驗(yàn)室的建成將為科學(xué)研究開辟新的道路。

　　ESRF實(shí)驗(yàn)大廳的擴(kuò)建

　　另外，羅納爾大區(qū)和地方匹配1.8億歐元，用于建新大門入口、服務(wù)中心、員工食堂和物流平臺(tái)。一座3500m2的科學(xué)大樓也將拔地而起。---

　　凝聚了20年的成功經(jīng)驗(yàn)，ESRF將為歐洲和全世界繼續(xù)提供高品質(zhì)的科研平臺(tái)，將不斷加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施、光束線、實(shí)驗(yàn)站的建設(shè)，更新儀器設(shè)備及其自動(dòng)化，研發(fā)探測器新技術(shù)、應(yīng)用新技術(shù)，提高數(shù)據(jù)處理、格式化和存儲(chǔ)能力。

　　高能所科研處 中科院大科學(xué)裝置辦公室 資料來自 http://www.esrf.eu/