中国新一代同步辐射光源可直接观测到有史以来无法看到的原子结构

  • 日期:10-01
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2019年,世界上最先进的第四代光源高能同步加速器辐射源在北京怀柔科学城启动。这标志着中国将有许多新的高科技成就。

中国同步辐射中心

人类一直通过使用和发展“光”来维持人类文明的可持续生存和发展。可以说,人类文明史是开发和利用“光资源”的历史,光的未来使用可以直接做成戴森球来包裹恒星并利用整个恒星的光能。根据其波长和频率,光可以分为无线电波,微波,红外线,可见光,紫外线,真空紫外线,软X射线,B射线,硬X射线和伽玛(γ)射线。

光的波长或能量频率决定其性质。当“可见光”照亮物体时,它会反射到我们的眼睛中,并被视网膜/视神经“看见”以“看见”世界。对能量而言,普通光也有一定的穿透力。当X射线照射到人体时,它将穿透人体。医院控制辐射剂量,否则会伤害人体。

光波具有衍射现象和透镜效应。当物体被光检测到或两个物体被分解时,物体的大小或两个物体之间的距离可以通过光的波长来测量。天文学家可以使用无线电波探测宇宙。空中指挥中心应跟踪飞机,并可以使用微波(雷达)。科学家应该研究比“可见光”波长短的物体。为了“看到”诸如病毒,蛋白质分子甚至金属原子之类的微观物质,有必要使用与微观物体相似或较短波长的光束来照亮微观物体。物质中光束的衍射,折射和散射方法可以检测诸如微观物质的结构和排列运动之类的特性,或者通过利用光激发,光吸收,荧光和光电子等特性来探索未知物质光束与物体相互作用产生的发射。缩影。

中国科学院高能物理研究所副所长,项目负责人秦青生动地阐述了第四代光源的特点:“亮度比光源高出两个数量级。第三代光源(100倍),可以更清楚地了解材料。内部结构在材料科学和生命科学的发展中起着重要作用。”以前,扫描材料是否需要辐射需要一两天,而第四代只需花费几分钟或几秒钟即可完成。

电磁场理论早就预测到,当带电粒子在真空中以接近光速的速度在相对论效应的作用下被两极磁场偏转时,电磁波将连续发射偏转轨迹的切线方向。同步辐射是电磁场作用下光在曲线周围的运动。一个封闭的电子存储环,圆周长432米,相当于一个学校400米的圆形跑道游乐场,用于存储35亿电子伏特的高能电子束,该电子束沿电子存储环的外部穿过,从而导致同步加速器辐射。电子存储环是同步辐射源的主体和核心,其性能直接决定了同步辐射源的性能。

高分辨率分子结构

同步辐射是一种新型的高性能强辐射源,当电子(或正电子)在磁场中偏转时,它将使用同步加速器辐射。电子在同步加速器中被加速,根据电动力学理论,电荷的加速将引起辐射,从而产生从红外到硬X射线的宽带连续辐射。我们知道实验室的X射线衍射实验装置能量低,并且受到X射线管靶的限制。特征辐射波长区域非常窄。然而,同步加速器辐射的光谱是连续的并且非常宽。可以直接使用该连续体,并且可以使用各种组件来选择所需的应用波长。

使用同步辐射源的高强度,高亮度(亮度是常规X射线源的10倍,甚至高10到10倍,甚至更多。)

世界上第一代可以自由改变波长的同步加速器辐射

高度偏振(在电子轨道平面中,几乎100%的线性偏振光,在轨道平面上方和下方的椭圆偏振光)。

良好的准直度。

光源的焦点很小。

高度稳定性(储存环内电子束的寿命可长达10h左右,光束位置稳定,再现性好)。

谱频单位连续而且很宽,脉冲宽度可以达到10∧(-8)甚至10∧(-10)s, 这一点很重要,X 射线是做不到的。

时间分辨,空间分辨,表征精度,多场耦合都十分给力的优势,可以进行许多前沿学科的探索。生物学家依托同步辐射光,能获得生物大分子的三维结构,进而研究其结构与功能之间的关系。

通过对病毒外壳蛋白、癌症基因及其表达物等病原三维结构的详细了解,有望设计出能与该病原特异结合的药物小分子,以阻断病原体对细胞的感染,或抑制其致病的功能,新概念药物设计就是基于病毒分子结构的特点,达到最佳效果,直接摧毁病毒本身。材料科学家利用同步辐射光,可以清楚地揭示出材料中原子的精确构造和有价值的电磁结构参数等信息,甚至可以窥视纳米级别的微观粒子,可以真正做到看清楚原子的构造并测量。

中国第四代高能辐射光源,可以消灭各种病毒,像非典,H1N1,H5N1禽流感统统不在话下,已经研究出了埃博拉病毒机理,为防控病毒提供了有效的理论基础。同步辐射光比传统的X光亮上亿倍,比瑞士先进10倍,比美国先进70倍,届时将向全球科学家开放,为中国科学家点赞!