Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Алмазный источник света
DiamondLogo.png
Здание Diamond Light Source - 3338870 ff7a8854.jpg
Здание Diamond Light Source
Формирование~ 2001
Штаб-квартираЧилтон , Оксфордшир , Великобритания
ЛидерПрофессор Эндрю Харрисон
Интернет сайталмаз .ac .uk

Diamond Light Source (или Diamond ) - это британский национальный научный центр по синхротронным источникам света , расположенный в Научно-инновационном кампусе Харвелла в Оксфордшире . Его цель - производить интенсивные световые лучи , особые характеристики которых используются во многих областях научных исследований. В частности, его можно использовать для исследования структуры и свойств широкого спектра материалов, включая белки (чтобы предоставить информацию для разработки новых и более совершенных лекарств), и инженерные компоненты (например, лопасти вентилятора авиационного двигателя [1] ). на сохранение археологических артефактов (например, флагман Генриха VIIIМэри Роуз [2] [3] ).

В мире насчитывается более 50 источников света. [4] Diamond - это синхротрон средней энергии с энергией 3 ГэВ, в настоящее время работающий с 32 линиями передачи.

Дизайн, строительство и финансы [ править ]

Алмазный источник света в снегу, 2018.

Синхротрон Diamond - это крупнейшее научное сооружение, финансируемое Великобританией, которое будет построено в Великобритании со времен протонного синхротрона Nimrod, который был размещен в лаборатории Резерфорда Эпплтона в 1964 году. Близлежащие объекты включают источник нейтронов и мюонов ISIS , Центральную лазерную установку и лаборатории в Харвелле и Калхэме (включая проект Joint European Torus (JET)). Он заменил синхротрон второго поколения в Дарсбери, графство Чешир.

После первых работ в 1990-х годах учеными из лаборатории Дарсбери в 2001 году было завершено окончательное исследование дизайна ; строительство затем началось после создания операционной компании, DIAMOND Light Source Ltd. Название DIAMOND первоначально был задуман Майком Пуле (инициатору проекта DIAMOND) и встал как аббревиатуры означает DI полюс А й М ultipole O utput для N в D aresbury . В настоящее время это место находится в Оксфордшире, а не в Дарсбери, поэтому в названии отражается, что синхротронный свет одновременно жесткий (относится к «жесткой» рентгеновской области электромагнитного спектра ) и яркий.

Diamond произвел свой первый пользовательский луч к концу января 2007 года и был официально открыт королевой Елизаветой II 19 октября 2007 года. [5] [6]

Объект находится под управлением Алмазной Light Source Ltd, [7] совместное предприятие компания , основанная в марте 2002 года компания получает 86% финансирования от правительства Великобритании (через STFC) и 14% от Wellcome Trust . Строительство Diamond стоило 260 миллионов фунтов стерлингов, что покрывало стоимость здания синхротрона, ускорителей внутри него, первых семи экспериментальных станций (лучей) и прилегающего офисного блока Diamond House. Строительство здания и синхротронного зал был на Костейн Ltd .

Синхротрон [ править ]

Алмаз генерирует синхротронный свет в диапазоне длин волн от рентгеновских лучей до дальнего инфракрасного диапазона . Это также известно как синхротронное излучение и представляет собой электромагнитное излучение, испускаемое заряженными частицами, движущимися со скоростью, близкой к скорости света . Он используется в огромном количестве экспериментов для изучения структуры и поведения самых разных типов материи.

Алмазные частицы используют электроны, движущиеся с энергией 3 ГэВ [8] вокруг накопительного кольца длиной 561,6 м . Накопитель представляет собой не настоящий круг, а 48-сторонний многоугольник из прямых участков, повернутых под углом с помощью поворотных магнитов (дипольных магнитов). [9]Магнитное притяжение поворотных магнитов, которое направляет электроны по кольцу. Поскольку Diamond является источником света третьего поколения, в нем используются специальные массивы магнитов, называемые вставными устройствами. Устройства ввода заставляют электроны колебаться, и именно их внезапное изменение направления заставляет электроны испускать исключительно яркий пучок электромагнитного излучения, более яркий, чем пучок одиночного изгиба при прохождении через поворотный магнит. Это синхротронный свет, используемый для экспериментов. Однако некоторые лучи используют свет исключительно от изгибающего магнита без необходимости использования вводящего устройства.

Электроны достигают этой высокой энергии через серию ступеней предускорителя, прежде чем попасть в накопитель на 3 ГэВ:

  • электронная пушка - 90 кэВ
  • линейный ускоритель на 100 МэВ
  • бустерный синхротрон на 100 МэВ - 3 ГэВ (окружность 158 м).

Синхротрон Diamond размещен в серебряном тороидальном здании с окружностью 738 м, занимающим площадь более 43 300 квадратных метров, или площадь более шести футбольных полей . Это содержит накопительное кольцо и ряд beamlines , [10]с линейным ускорителем и бустерным синхротроном, расположенными в центре кольца. Эти лучи - экспериментальные станции, где взаимодействие синхротронного света с веществом используется в исследовательских целях. Когда Diamond начал свою работу в 2007 году, в наличии было семь линий пучка, и по мере продолжения строительства в эксплуатацию были введены новые. По состоянию на апрель 2019 года в эксплуатации находилось 32 пучка. В конечном итоге Diamond предназначен для размещения около 33 линий связи, поддерживающих науку о жизни, физике и окружающей среде.

Diamond также является домом для 11 электронных микроскопов, девять из которых являются криоэлектронными микроскопами, специализирующимися на науках о жизни, включая два, предназначенные для промышленного использования в партнерстве с Thermo Fisher Scientific; оставшиеся два микроскопа предназначены для исследования современных материалов. [11] Девять электронных микроскопов, посвященных наукам о жизни, являются частью центра электронного био-визуализации (eBIC), национального центра Великобритании, предоставляющего инструменты и экспертные знания в области криоэлектронной микроскопии . eBIC был открыт в сентябре 2018 года лауреатом Нобелевской премии Ричардом Хендерсоном.но начал свою работу в 2015 году. Экспериментальные методы, доступные на этом предприятии, включают анализ отдельных частиц биологических макромолекул, клеточную томографию, электронную кристаллографию и сканирующую электронную микроскопию криофокусированного ионного пучка. Центр электронной физики изображений (ePSIC) - это национальный центр просвечивающей электронной микроскопии с коррекцией аберраций, открытый в 2017 году. Благодаря сотрудничеству с Джонсоном Матти и Оксфордским университетом в Diamond размещены два просвечивающих электронных микроскопа.

Beamlines [ править ]

Diamond начала работу с семью пучками:

  • Канал для экстремальных условий (I15) для изучения материалов при высоких температурах и давлениях.
  • Канал материалов и магнетизма (I16) для исследования электронных и магнитных свойств материалов на атомном уровне.
  • Три канала макромолекулярной кристаллографии (I02, I03 и I04) для понимания структуры сложных биологических образцов, включая белки.
  • Микрофокусная спектроскопия (I18) способна отображать химический состав сложных материалов, таких как лунные породы и геологические образцы.
  • Канал нанонауки (I06), способный отображать структуры и устройства с точностью до нескольких миллионных долей миллиметра.

С тех пор были добавлены и модернизированы дополнительные лучи, и теперь он работает с 32 лучевыми линиями. Еще один канал примет первых исследователей в середине 2020 года.

  • I22 - Междисциплинарный канал некристаллической дифракции для изучения больших и сложных структур, включая живые организмы, полимеры и коллоиды.
  • B16 - Тестовый луч на изгибающемся магните для тестирования новых разработок в оптике, детекторах и методах исследования.
  • I19 - Низкомолекулярный монокристаллический дифракционный луч высокой интенсивности для определения структуры низкомолекулярных кристаллических материалов, таких как новые катализаторы и «умные» электронные материалы.
  • I11 - порошковая дифракционная линия с высоким разрешением, специализирующаяся на исследовании структуры сложных материалов, включая высокотемпературные полупроводники и фуллерены.
  • I24 - Микрофокусный канал макромолекулярной кристаллографии для изучения взаимосвязи между структурой больших макромолекул и их функцией в живых организмах.
  • B23 - Линия кругового дихроизма для наук о жизни и химии, способная наблюдать структурные, функциональные и динамические взаимодействия в материалах, таких как белки, нуклеиновые кислоты и хиральные молекулы.
  • I12 - Линия луча совместного проектирования, окружающей среды и обработки (JEEP), обеспечивающая многоцелевое оборудование для дифракции высоких энергий и построения изображений инженерных компонентов и материалов в реальных условиях.
  • 104-1 - Монохроматическая станция MX с фиксированной длиной волны, совместно использующая прямой I04 с одним из каналов макромолекулярной кристаллографии первого года выпуска, независимая станция, использующая свет фиксированной энергии для исследования структур белковых комплексов.
  • I20 - Линия пучка рентгеновской спектроскопии (XAS-3), включающая универсальный рентгеновский спектрометр для изучения химических реакций и определения физических и электронных структур в поддержку фундаментальной науки.
  • I07 - Дифракционный луч высокого разрешения для исследования структуры поверхностей и границ раздела в различных условиях окружающей среды, включая полупроводники и биологические пленки.
  • B18 - Core EXAFS для поддержки широкого спектра приложений рентгеновской абсорбционной спектроскопии, включая локальную структуру и электронное состояние активных компонентов, а также исследование материалов, включая жидкости, кристаллические и некристаллические (аморфные фазы и коллоиды) твердые тела, поверхности и биоматериалы.
  • B22 - Инфракрасная микроспектроскопия как мощный и универсальный метод определения химической структуры, обеспечивающий новые уровни чувствительности и пространственного разрешения с последующим воздействием на широкий спектр биологических и физических наук.
  • I10 - Beamline for Advanced Dichroism Experiments (BLADE) для изучения магнитного дихроизма и магнитной структуры с использованием мягкого резонансного рассеяния рентгеновских лучей (отражение и дифракция) и поглощения рентгеновских лучей, что позволяет проводить широкий спектр новых исследований, направленных на спектроскопические свойства и магнитное упорядочение новых наноструктурированных систем.
  • I13 - Рентгеновское изображение и когерентность для изучения структуры микро- и нанообъектов. Информация либо получается в прямом пространстве, либо путем инвертирования (дифракции) данных, записанных в обратном пространстве. Динамические исследования выполняются в различных масштабах времени и длины с помощью рентгеновской фотонной корреляционной спектроскопии (XPCS) и сверхмалоуглового рассеяния на основе точечных отверстий (USAXS).
  • I09 - Структурный анализ поверхностей и межфазных границ (SISA) объединит низкоэнергетические и высокоэнергетические пучки, сфокусированные на одной и той же области образца, и достигнет прогресса в структурном определении поверхностей и границ раздела, а также в исследованиях наноструктур, биологических и сложных материалов. .
  • I05 - Фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением (ARPES). Этот канал представляет собой установку, предназначенную для исследования электронных структур с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением.
  • I08 - Мягкая рентгеновская микроскопия имеет ряд применений, включая материаловедение, науку о Земле и окружающей среде, биологические и биомедицинские науки, а также научные аспекты нашего культурного наследия.
  • B21 - Высокопроизводительный канал для малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS) предназначен для исследования некристаллических, случайно ориентированных частиц. Измерения SAXS можно проводить для любого типа образца в любом физическом состоянии.
  • I23 - длинноволновая макромолекулярная кристаллография - это уникальное средство для решения проблемы кристаллографической фазы с использованием небольших аномальных сигналов от серы или фосфора, присутствующих в нативном белке или кристаллах РНК / ДНК.
  • B24 - Полнопольный криопропускающий рентгеновский микроскоп для биологии разработан специально с учетом требований, связанных с визуализацией биологических клеток.
  • I14 - Линия пучка жесткого рентгеновского нанозонда. I14 - это сканирующий зондовый луч, который использует методы рентгеновской флуоресценции и дифракции для определения структуры и состава огромного количества материалов.
  • I21 - Неупругое рассеяние рентгеновских лучей (IXS). Этот луч производит высоко мотивированные, сфокусированные и настраиваемые рентгеновские лучи для исследования магнитной, электронной и решеточной динамики образцов.
  • B07 - VERSOX: Универсальная линия мягкого рентгеновского излучения разработана для исследования катализаторов в условиях газофазной реакции или для исследования образцов в естественных условиях в области атмосферных исследований. В настоящее время B07 находится в процессе установки второго ответвления, чтобы обеспечить возможность проведения измерений рентгеновской фотоэлектонной спектроскопией (XPS) и ближней краевой спектроскопии с расширенной тонкой структурой поглощения рентгеновских лучей (NEXAFS) в условиях атмосферного давления.
  • I15-1 Функция распределения рассеяния пар рентгеновских лучей
  • VMXm - универсальная кристаллография макромолекул, микро. Этот канал выполняет определение атомной структуры там, где трудно получить крупные кристаллы или страдают от слабой дифракции.
  • VMXi - Универсальная макромолекулярная кристаллография in situ - это первый в своем роде канал, предназначенный исключительно для сбора данных непосредственно из экспериментов по кристаллизации in situ. Это высокоавтоматизированный канал пучка с возможностью хранения тысяч пользовательских экспериментов по кристаллизации и отличается автоматической передачей между хранилищем образцов и каналом пучка, а также высокоавтоматизированным сбором и анализом данных.
  • DIAD - Dual Imaging and Diffraction Beamline будет первым, предлагающим два метода рентгеновской микроскопии, применяемые синхронно с временем переключения 0,1 секунды. Ожидается, что первые пользователи пучка будут в 2020 году.

Тематические исследования [ править ]

  • В сентябре 2007 года ученые из Кардиффского университета во главе с Тимом Вессом обнаружили, что алмазный синхротрон можно использовать для просмотра скрытого содержимого древних документов при освещении, не открывая их (проникая в слои пергамента ). [12] [13]
  • В ноябре 2010 года журнал Nature опубликовал статью, в которой подробно описывалось, как Гедель Мартенс, Стивен Хейр и Питер Черепанов из Имперского колледжа Лондона использовали данные, собранные в Diamond, чтобы лучше понять, как ВИЧ и другие ретровирусы заражают клетки человека и животных. [14] [15] Полученные данные могут позволить улучшить генную терапию для исправления генных сбоев.
  • В июне 2011 года международная группа ученых во главе с Со Иватой опубликовала в журнале Nature статью, в которой подробно рассказывала, как с помощью Diamond они успешно решили трехмерную структуру белка рецептора гистамина H1 человека . Их открытие позволило развитие «третьего поколения» , антигистаминные , наркотики эффективны против некоторых аллергии без неблагоприятных побочных эффектов. [16] [17]
  • Опубликованный в Proceedings of the National Academy of Sciences в апреле 2018 года, пять организаций, включая ученых из Diamond, использовали три макромолекулярных луча Diamond, чтобы узнать подробности того, как бактерия использовала пластик в качестве источника энергии. Данные высокого разрешения позволили исследователям определить работу фермента, который захватил пластиковый ПЭТ . Впоследствии было проведено компьютерное моделирование, чтобы изучить и улучшить этот механизм. [18]
  • В статье, опубликованной в журнале Nature в 2019 году, описывается, как международное междисциплинарное сотрудничество разработало несколько способов управления металлическими наночастицами, включая синтез при существенно сниженных затратах для использования в качестве катализаторов для производства товаров повседневного спроса. [19]

См. Также [ править ]

  • Перечень объектов синхротронного излучения
  • Источник синхротронного излучения (SRS)
  • Европейский центр синхротронного излучения (ESRF)
  • МАКС IV
  • БЕССИ
  • SOLEIL
  • Канадский источник света (CLS)

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Diamond и Rolls-Royce освещают крупнейшую в мире сцену синхротрона
  2. ^ Высокотехнологичные решения по сохранению старого военного корабля - Diamond Lights Source
  3. ↑ Подкаст - доктор Марк Джонс из The Mary Rose Trust обсуждает свое исследование
  4. ^ " Lightsources.org : Источники света мира" . 2019 . Проверено 5 октября 2019 .
  5. ↑ Diamond News: Ее Величество Королева официально открыла Diamond Light Source
  6. ^ « « Сверхширокие возможности »открывает для бизнеса» . 2007-02-05.
  7. ^ Алмазный источник света Ltd архивации 2013-07-07 в Wayback Machine
  8. ^ Эквивалентно ускорению их напряжением 3 миллиарда вольт; 1 электронвольт - это энергия, которую электрон получает при ускорении разностью потенциалов в 1 вольт.
  9. ^ "Внутри бриллианта" (PDF) . Алмазный источник света. 2015 . Проверено 5 Октябрь 2019 .
  10. ^ "Текущий список Diamond Beamlines" . Архивировано из оригинала на 2016-02-02 . Проверено 9 августа 2011 .
  11. ^ «Развитие лучевой линии и техническое резюме - алмазный источник света» . www.diamond.ac.uk . Проверено 5 октября 2019 .
  12. ^ " " Супер-область "для просмотра скрытых текстов" . 2007-09-13.
  13. ^ «Алмаз: разгадывая секреты древних пергаментов» . Архивировано из оригинала на 2011-08-08 . Проверено 9 августа 2011 .
  14. ^ Diamond News: рентгеновские лучи освещают механизм, используемый ВИЧ для атаки ДНК человека
  15. ^ Maertens, Goedele N .; Заяц, Стивен; Черепанов, Петр (2010). «Механизм интеграции ретровирусов из рентгеновских структур его ключевых промежуточных продуктов» . Природа . 468 (7321): 326–329. Bibcode : 2010Natur.468..326M . DOI : 10,1038 / природа09517 . PMC 2999894 . PMID 21068843 .  
  16. ^ Diamond News: прорыв в отношении рецепторов гистамина H1 свидетельствует об улучшении лечения аллергии
  17. ^ Shimamura, Tatsuro (2011). «Структура человеческого гистаминового рецепторного комплекса H1 с доксепином» . Природа . 475 (7354): 65–70. DOI : 10,1038 / природа10236 . PMC 3131495 . PMID 21697825 .  
  18. ^ Алмазный источник света. «Решение проблемы пластикового загрязнения на горизонте - Diamond Light Source» . www.diamond.ac.uk . Проверено 5 октября 2019 .
  19. ^ «Мировое научное сотрудничество развивает прорыв в катализе - алмазный источник света» . www.diamond.ac.uk . Проверено 5 октября 2019 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Алмазный источник света
  • Lightsources.org
  • Хаммонд, Найджел. «Внутри бриллианта» . Закулисная наука . Брэди Харан .
  • Даймонд: ответ Великобритании на статью The Large Hadron Collider Guardian, в которой описывается машина и ее применение.

Координаты : 51 ° 34′28 ″ с.ш., 1 ° 18′39 ″ з.д. / 51,57444 ° с.ш.1,31083 ° з. / 51.57444; -1,31083