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【理化學研究所】X射線自由電子雷射研究設施SACLA
世界最短波長的雷射直逼原子世界
[2011.10.03] 其它語言:ENGLISH | 日本語 | 简体字 | FRANÇAIS | ESPAÑOL |

理化學研究所播磨研究所的X射線自由電子雷射研究設施SACLA,使用世界上最短波長的X射線自由電子雷射,可以超越技術的極限,解析物質結構,有望為新藥的開發等助一臂之力。

理化學研究所播磨研究所(兵庫縣)的X射線自由電子雷射研究設施“SACLA”,成功發射出世界上最短波長的X射線自由電子雷射(XFEL)。 XFEL是一種新型雷射,用它可以調查物質在原子級別上的構造以及該構造的瞬間變化。今年3月底建設完成的SACLA,通過電子槍產生電子束,再發射出XFEL,是一個用於實驗研究的設施,計劃於2012年3月正式開放供有關機關使用,現正在作調試運轉。

捕捉原子瞬間運動的雷射

所謂XFEL,是具有X射線波長的雷射。我們熟悉的拍攝X光照片時的X射線,波長很短,對物質的穿透力極大。雷射是為高速光纖通訊、DVD等所用的強光,光波同步。兼備X射線和雷射特性的XFEL,和以往的光相比,亮度高出10億倍,波長更短。使用這種光,可以對物質進行在原子、電子層面上的細緻觀察。比如,對細胞膜中含有的蛋白質構造,可以以每一個分子為單位進行分析。而且,XFEL的發光時間,短至10兆分之1秒,因此猶如超高速閃光燈攝影,還可以瞬間捕捉原子的運動和極其快速的化學反應。所以人們認為可以藉此觀察到至今沒有人看見過的微小世界裡的瞬息變化。

小型、節能的SACLA

SACLA呈細長形結構,加速器隧道、光源樓和實驗研究樓三者連為一線,全長約700公尺,大致相當於2輛希望號新幹線的長度(一輛由16節車廂組成)。其構造是這樣的:設在入口處的電子槍發出的電子束,連續不斷地穿過加速器隧道,速度被提升到光速;經加速而提高了能量的電子束進入光源樓,在這裡,通過稱為波蕩器的一種排滿強磁鐵的裝置,從電子束中發射出XFEL;最後,把XFEL送到實驗研究樓,供人們在實驗中使用。

歐美也在進行XFEL的科學研究,但SACLA小型化和節能的特點,是其他任何設施都不具備的。新開發的加速器由於加速能力比以往提高了2倍,從而縮短了加速管的長度。另外,採用了將波蕩器密封於真空管的技術,因而和其他設施相比,用低能耗的電子束發射XFEL成為可能。播磨研究所的石川哲也所長說:“我們集結了日本獨自的技術,實現了設施的小型化。它的大小只有美國、歐州同類設施的四分之一。”

希望大家來體驗這項技術

“SACLA的設備是非常精細的”,援助開發工作的該研究所研究推進部的馬越元基介紹說。在安裝發射雷射的“波蕩器”時,為了使光束筆直前進,甚至要考慮到地球的弧度。馬越說:“波蕩器排列起來,長達120公尺,光軸通過其中,偏差僅0.1公釐。”SACLA是通過一次次反復進行這種微調整而建設完成的。

設施的建設完成花費了5年時間。馬越說:“開始時大家對能否成功信心不足。如今順利地走了過來,對利用設施的研究人員來說是’翹首以待’,對建設設施的開發人員來說是’希望更多的人來體驗這項技術’,總之大家都由衷期待著早日正式開放。”


XFEL波蕩器廠房:XFEL由照片盡頭的波蕩器發射而出。

在7月13日的實驗中,成功發射出波長僅0.08奈米的XFEL,這是世界波長最短的光。石川所長滿懷信心地說道:“通過調整電子束,還能進一步縮短波長。”

石川所長說,今後的數據分析,準備和神戶研究所的世界最快的新一代超級電腦“京”聯合進行,“希望能夠攜手共同開拓新的科學。”

據介紹,XFEL的應用,將超越以往技術的極限,在藥物開發領域有望弄清膜蛋白質的構造和作用,在奈米級的超高微細加工技術等方面也有可能取得劃時代的研究成果。


速調管走廊:SACLA的中樞,設置有各種控制器

攝影:HANS SAUTTER
採訪、文:佐藤成美

(原文日文)

  • [2011.10.03]
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