系列 科学最前线
【理化学研究所】X射线自由电子激光研究设施SACLA
世界最短波长的激光直逼原子世界
[2011.10.03] 其它語言 : ENGLISH | 日本語 | 繁體字 | FRANÇAIS | ESPAÑOL |

理化学研究所播磨研究所的X射线自由电子激光研究设施SACLA,使用世界上最短波长的X射线自由电子激光,可以超越技术的极限,解析物质结构,有望为新药的开发等助一臂之力。

理化学研究所播磨研究所(兵库县)的X射线自由电子激光研究设施“SACLA”,成功发射出世界上最短波长的X射线自由电子激光(XFEL)。XFEL是一种新型激光,用它可以调查物质在原子水平上的构造以及该构造的瞬间变化。今年3月.底建设完成的SACLA,通过电子枪产生电子束,再发射出XFEL,是一个用于实验研究的设施,计划于2012年3月正式开放供有关单位使用,现正在作调试运转。

捕捉原子瞬间运动的激光

所谓XFEL,是具有X射线波长的激光。我们熟悉的拍摄X光照片时的X射线,波长很短,对物质的穿透力极大。激光是为高速光纤通讯、DVD等所用的强光,光波同步。兼备X射线和激光特性的XFEL,和以往的光相比,亮度高出10亿倍,波长更短。使用这种光,可以对物质进行在原子、电子层面上的细致观察。比如,对细胞膜中含有的蛋白质构造,可以以每一个分子为单位进行分析。而且,XFEL的发光时间,短至10万亿分之1秒,因此犹如超高速闪光灯摄影,还可以瞬间捕捉原子的运动和极其快速的化学反应。所以人们认为可以借此观察到至今没有人看见过的微小世界里的瞬息变化。

小型、节能的SACLA

SACLA呈细长形结构,加速器隧道、光源楼和实验研究楼三者连为一线,全长约700米,大致相当于2辆希望号新干线的长度(一辆由16节车厢组成)。其构造是这样的:设在入口处的电子枪发出的电子束,连续不断地穿过加速器隧道,速度被提升到光速;经加速而提高了能量的电子束进入光源楼,在这里,通过称为波荡器的一种排满强磁铁的装置,从电子束中发射出XFEL;最后,把XFEL送到实验研究楼,供人们在实验中使用。

欧美也在进行XFEL的科学研究,但SACLA小型化和节能的特点,是其他任何设施都不具备的。新开发的加速器由于加速能力比以往提高了2倍,从而缩短了加速管的长度。另外,采用了将波荡器密封于真空管的技术,因而和其他设施相比,用低能耗的电子束发射XFEL成为可能。播磨研究所的石川哲也所长说:“我们集结了日本独自的技术,实现了设施的小型化。它的大小只有美国、欧州同类设施的四分之一。”

希望大家来体验这项技术

“SACLA的设备是非常精细的”,援助开发工作的该研究所研究推进部的马越元基介绍说。在安装发射激光的“波荡器”时,为了使光束笔直前进,甚至要考虑到地球的弧度。马越说:“波荡器排列起来,长达120米,光轴通过其中,偏差仅0.1毫米。”SACLA是通过一次次反复进行这种微调整而建设完成的。

设施的建设完成花费了5年时间。马越说:“开始时大家对能否成功信心不足。如今顺利地走了过来,对利用设施的研究人员来说是‘翘首以待’,对建设设施的开发人员来说是‘希望更多的人来体验这项技术’,总之大家都由衷期待着早日正式开放。”


XFEL波荡器厂房:XFEL由照片尽头的波荡器发射而出。

在7月13日的实验中,成功发射出波长仅0.08纳米的XFEL,这是世界波长最短的光。石川所长满怀信心地说道:“通过调整电子束,还能进一步缩短波长。”

石川所长说,今后的数据分析,准备和神户研究所的世界最快的新一代超级计算机“京”联合进行,“希望能够携手共同开拓新的科学。”

据介绍,XFEL的应用,将超越以往技术的极限,在药物开发领域有望弄清膜蛋白质的构造和作用,在纳米级的超高微细加工技术等方面也有可能取得划时代的研究成果。


速调管走廊: SACLA的中枢,设置有各种控制器

摄影:HANS SAUTTER
采访、撰文:佐藤成美

(原文日文)

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