日本大型同步輻射光源SPring-8

一、世界上能量最高的第三代同步輻射光源

日本大型同步輻射設施SPring-8位於日本列島中央兵庫縣的播磨科學花園城（Harima Science Garden City, Hyogo），是世界上能量最高的第三代同步輻射光源。它的英文名稱SPring-8（Super Photon ring-8），意為「8GeV的超級光子環」，即輸出功率8千兆電子伏。

1991年，在日本文部科學省MEXT（Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology）的領導下，日本原子力研究所JAERI（Japan Atomic Energy Research Institute）和理化學研究所RIKEN（The Institute of Physical and Chemical Research）開始共同負責建造SPring-8。首期建設成本約為1100億日元，土地由兵庫縣無償捐贈。在該縣政府、縣立大學和各研究所、商業企業的聯合支持下，工程於1997年竣工，設施開放，由日本同步輻射研究機構JASRI（Japan Synchrotron Radiation Research Institute）負責管理，包括光源的運行、維護、改造、用戶服務、科技研發等。JASRI是SPring-8唯一法定管理機構，屬私立非盈利性，僱有員工1000多名，其中80%為研究和技術人員。自1997年10月正式啟用至2010年，SPring-8共建成55條光束線站，服務日本及全世界科學、工業、企業界超過10萬人次。

日本Spring-8與美國阿貢國家實驗室的先進光子源APS（Advanced Photon Source，Argone）、法國格勒諾布爾的歐洲同步輻射光源ESRF（Europe Synchrotron Radiation Facility，Grenoble）同為世界三大高能（電子束能量超過5GeV）大型同步輻射設施。

　　　

SPring-8的地理位置圖（圖片來自Google）

SPring-8應用於諸多科學和醫療領域的研究，如：

* 材料科學：研究先進材料的原子和電子結構、極端條件下的材料特性等；

* 生命醫學：解析蛋白質結構，研究生命機制、藥品設計和改進、利用相位襯度成像方法進行生物樣品高解析度成像等；

* 化學：催化作用下的動力學，原子和分子光譜，超微量元素及其化學性質； 

* 環境科學：分析環境的催化劑，生物樣品中環境汙染的痕量元素； 

* 地球和宇宙科學：分析地殼深層物質的結構和特性，隕石和宇宙層的結構； 

* 工業和核物理：運用光子能研究夸克核物理等。

　　SPring-8鳥瞰

　　圍山而建的SPring-8儲存環

連結：SPring-8的一些具體數據 

* 面積：佔地141公頃，比甲子園棒球場（Koshien Ballpark）大36倍，比東京圓頂體育場（Tokyo Dome Stadium）大30倍，比東京迪斯尼主題樂園（Tokyo Disneyland Theme Park）大2.8倍。大儲存環直徑457米，比四個足球場的長度還要長一些，周長約1436米。 

* 運行經費受經濟危機的影響，幾乎逐年削減：

* 使用費：6萬日元/小時。但科學家如果在此實驗後公開研究成果，光源的使用則是免費的。 

* 耗能：由關西電力株式會社公司（the Kansai Electric Power Co. Inc.）提供專用高壓電力。2009年，年消耗電力1.78億千瓦，相當於4.9萬家庭年平均用電，耗資1.9億日元；天然氣由大阪燃氣有限公司科技城分部（the Technopolis Branch of Osaka Gas Co. Ltd）提供，2009年使用了131萬立方米，相當於3300個普通家庭的用氣，耗資8千萬日元；水由三城城鎮供水和汙水處理辦公室（Three City-Towns』 Water and Severage Office）負責，2009年用水28萬噸，同650個家庭1年的用水，耗資1億日元。 

二、歷史回顧

1988年10月：建立日本原子力研究所（JAERI）和理化學研究所（RIKEN）合作組，進行大型同步輻射設施的設計和研發工作。 

1989年6月：選址在兵庫縣的播磨科學花園城。 

1990年12月：成立日本同步輻射研究所（JASRI）。 

1991年11月：SPring-8工程動工。

1993年5月： SPring-8用戶協會成立。

1994年10月：實施「關於同步輻射設施的推廣和通用法」，JASRI被指定為「促進同步輻射研究和使用的機構」。 

1997年3月：同步輻射第一次成功出光。 

1997年10月：工程竣工。光源開放。 

1998年3月：第一屆SPring-8用戶研討會召開。 

1998年5月：束流為100mA的電流在儲存環成功儲存。 

2000年6月：第一條籤約的光束線站開始運行。 

2000年8月：安裝25米長的波蕩器。 

2005年10月1日：日本原子力研究所JAERI改組為日本原子力開發研究機構JAEA（Japan Atomic Energy Agency）撤離SPring-8。光源由日本同步輻射研究所（JASRI）和理化學研究所（RIKEN）共同管理。 

2006年7月：「關於同步輻射設施的推廣和通用法」修改為「促進重大先進科研設施的公眾化」。

2007年3月：選舉JASRI為促進設施使用的唯一註冊機構。

2007年10月：舉行盛大的儀式和座談，慶祝光源成功運行10周年。

2009年6月：SPring-8接待自開放以來的第10萬名用戶。

三、結構探秘

SPring-8的加速器主要由四部分組成： 

* 注入器，直線加速器Linac，1GeV； 

* 增強器，Booster，8GeV；

* 大儲存環，Storage Ring，8GeV，用於高亮度X射線； 

* 小儲存環，NewSUBARU，1.5GeV，用於中型短脈衝軟X射線。

　　1.注入器（Linac） 

直線加速器段共配置了26個3米長的加速單元，加速電子束能量到1GeV。下圖中紅色部件為一個四極磁鐵，用於聚焦電子束。　　

直線加速器　　　　 　　  第一單元 

電子束由鋇鎢浸漬的熱離子槍生成。離子槍位於高壓電板，電壓約180KV。脈衝持續時間為1ns或40ns。選取的光束被束聚在一個束聚器上，並與25個加速腔一起加速到1GeV能量。電子束能散通過能源壓縮機系統（ECS）減小。接著，作為注入器的直線加速器把電子束輸送到增強器或NewSUBARU小儲存環中。 

直線加速器的部分參數：

2.增強器（Booster Synchrotron）

環形，周長396米。從直線加速器輸出的1GeV電子束將在增強器中加速至8GeV。下圖藍色為偏轉磁鐵，用於產生同步輻射光；黃色部件是六級磁鐵，用於穩定電子束。

增強器隧道 增強器分支點（左）電子束輸運線SSBT（右） 

增強器的磁聚焦結構FODO中，交替排列著彎轉磁鐵和四極磁鐵，設置注入、加速和輸出的重複頻率為1Hz，諧波數672。如果注入單一束團到儲存環，則安裝RF淘汰系統，淘汰主束團鄰近的其它電子束。專用的計時系統根據儲存環各個引出線站所需的光的類型，注入不同的束流。 

增強器的部分參數：

3.大儲存環（Storage Ring）

電子束從輸運線SSBT（左）注入儲存環（右）

巨大的環形，周長1436米。它的常規單元由2個偏轉磁鐵、10個四級磁鐵、7個六級磁鐵組成，長約30米。直線節位於常規單元之間，用於安裝插件、射頻加速腔，束流注入系統，束流診斷系統等，共計44個直線節。 

大儲存環的部分參數：

大儲存環可以長時間儲存8GeV的電子束，超過百小時。同步輻射消耗的能量通過安裝在儲存環周圍4個無線電站中的加速設備來補給。恆流（top—up）注入方式有效地確保了儲存環中束流流強的恆定。 

連結：2006年12月7—8日召開了東方科技論壇第86次學術研討會，議題為「第三代同步輻射光源束流軌道穩定性問題」。 

日本同步輻射研究所（JASRI）的Kouichi Soutome博士作了關於「SPring-8的恆流注入與束流軌道穩定性」的專題報告。他首先強調提供穩定的X射線束給用戶對於精密實驗的必要性。為了光束位置穩定必須抑制束流軌道變化，他指出儲存環中束流流強恆定的恆流（top-up）注入方式可有效地確保同步輻射光強度穩定。SPring-8為此努力研究了各種各樣引起軌道變化的因素來源，像磁鐵電源的變化，冷卻水引起的真空室振動等。

SPring-8還改進了束流軌道校正系統和相應的測量系統。為了top-up注入，SPing-8採用減小由於注入引起的儲存電子束的振動、減小注入電子束損失、保持長期高純度的單束團注入等多種措施。最後，他報告了SPring-8在束流軌道穩定性現狀及top-up注入運行模式的性能。SPring-8儲存環內總的電流穩定性控制在0.1%以內，各束團的流強不一致性也控制在10%以內。 

4.小儲存環（NewSUBARU）

　　NewSUBARU儲存環 

1.5GeV的小儲存環NewSUBARU，主要用於研究軟X射線在工業領域的應用。1998年建成，由兵庫大學的工業先進科學技術實驗室LASTI（Laboratory of Advanced Science and Technology for Industry）負責其運行。 

小儲存環周長約119米，由2個14米和4個2.6米的直線節組成。在長直線節中，安裝了11米長的波蕩器和一個光學速調管自由電子雷射裝置。直線加速器中1GeV的電子束可直接注入該儲存環中

　　11米長的波蕩器

小儲存環的部分參數：

四、光束線和實驗站

SPring-8擁有由偏轉磁鐵引出的光束線22條，最多可建24條；由插入件引出的光束線26條，最多可建34條，直線節長度4.5米；由長插入件引出的光束線1條，最多可建4條，長直線節長度25米。這些光束線一般設計在80米之內，但有9條可延伸至300米，3條可延伸至1公裡。 

1.布局和分類 

光束線前端組件的設計本著足以承受輻射功率，減少接觸的第一件光學元件的熱負荷，以及在光束線發生故障的情況下保護儲存環真空。

　　光束線前端

　　光束線

* 公共類光束線

* 日本原子力開發研究機構（JAEA）光束線

* 理化學研究所（RIKEN）光束線

* 其它單位光束線

* 加速器束流診斷

* 臺灣專屬光束線

臺灣國家同步輻射研究中心在SPring-8上建造了兩條臺灣專屬硬X光束線：用於生物結構與材料研究及非彈性X光散射研究。臺灣擁有75%至80%的使用時間。

大事記

1998年12月18日：籤署SPring-8臺灣專屬光束線之合作備忘錄與合約。 

2000年10月：生物結構與材料研究光束線出光並開始試運行。由儲存環偏轉磁鐵引出，可供研究員從事X光吸收光譜、高解析X光散射、蛋白質結晶學及微區繞射等實驗，進行生命科學、物理、化學的前瞻性科學實驗，開拓各種尖端材料的全新研究領域。 

2000年12月15日：舉行光束線啟用儀式。 

2001年初：非彈性X光散射光束線，由儲存環聚頻磁鐵引出，供研究人員進行高相干性電子系統（高溫超導與巨磁電阻前瞻性材料）的尖端研究。 

2010年12月2日：舉行「臺灣專屬光束線十周年慶祝會」。光束線啟用至今共執行了483項計劃，1657實驗人次，發表於國際知名科學期刊的SCI論文233篇，擁有廣大的用戶群和豐碩的成果。

2.部分實驗站簡介

* BL02B2（粉末衍射）

棚屋中安裝了一個半徑為286.5mm的Debye-Scherrer大型照相機。其成像板即為探測器，用於同步收集全粉模式。該相機可用於較寬的溫度範圍（15 k—1000 k），實現高算統計和高角解析度粉末衍射數據的快速收集。

* BL04B1（高壓高溫）

高壓設備SPEED-Mk. II是一臺雙層1500噸夯力多鐵砧壓機。它使用14*14*14mm的燒結金剛石砧，產生高壓和高溫條件，達到50 GPa和2000oC。它可以出色完成能散X射線衍射和高速CCD成像實驗。

* BL08W（高能非彈性散射）

康普頓（Compton）散射磁譜儀主要由3 T超導磁體和10個鍺固體探測器（SSDs）組成。超導磁體可在5秒鐘內完成從-3 T到3 T之間的磁場切換。鍺SSDs圍繞掠入X射線束對稱排列，實現了近180度的散射角。樣品溫度由低溫冷卻器控制，介於10 K和室溫之間。

* BL13XU（表面與界面結構）

超高真空腔（用於如金屬和半導體等晶體材料的表面）安裝在巨大的X射線衍射儀（直徑3m，高2.3m）上。該腔配有標準的表面分析工具，如低能電子能衍射儀（LEED）和反射式高能電子衍射儀（RHEED）。

* BL19B2（工程科學研究 I）

由彎轉磁鐵引出的中波段硬X射線束線站，向工業用戶開放。主要技術有X射線吸收、衍射、散射和成像。它擁有3個實驗棚屋：

棚屋一：XAFS。距離光源51m, 長*寬*高分別為4m*3m*3.3m。在傳輸和螢光模式下進行X射線吸收和精細結構測量，開展高能X射線螢光（XRF）分析。

棚屋二：X射線衍射。距離光源77m，長*寬*高為5m*4m*3.3m。安裝的多軸衍射儀進行殘餘應力測量和薄膜結構解析，Debye-Scherrer照像機用於粉末衍射研究。

棚屋三：距離光源111m, 大小為8m*4m*3.3m。利用X射線成像技術進行工業材料的觀察。

* BL27XU（軟X射線光化學）

該光束線的C2a實驗站配備研究自由原子和分子的半球形高解析度電子能量分析儀（Gammadata-SCIENTA，SES-2002）。樣品氣體由多束陣列（MB Scientific AB）注入。該氣體樣品的都卜勒效應導致的解析度下降將減少分子束源的動能。

* BL35XU（高解析度非彈性散射）

IXS譜儀是一種特殊的科學儀器，需要非常精準的「手臂」運動，而「手臂」又長又重，10米，6噸（下圖），還要大角度地轉動：55度。其長度是為了確保良好的能量解析度（〜1 meV），重量則是在真空飛行軌道上，防止X射線的散射和吸收。另外真空絕緣是為了非常精確地控制光學儀器的溫度（〜 mK）。

* BL37XU（微量元素分析）

該光束線專為適用於各種「X射線螢光分析」設計的。

棚屋一：配有高空間解析度X射線微探針，多功能X射線衍射儀，X射線螢光分析儀和高能X射線螢光光譜儀。

棚屋二：配有掠入射光譜反射計和低真空掃描電子顯微鏡SEM。

* BL15XU（WEBRAM）

智能雙角光電子分析儀（DAPHNIA）用於測量光電子和俄歇（Auger）電子，「起飛角」可分別設置。提供至4800 eV的大型光電子動能。該儀器已經在使用高能量激發光束方面表現出良好性能。例如，較深核心層的電子激發，或高動能光電子的應用。

* BL24XU（兵庫縣）

下圖為該光束線棚屋C中用於X射線微量分析的儀器。該儀器使用相位波帶片（phase zone plate）形成強X射線微束，可應用於多種領域，如樣品中微量元素的二維繪圖，聚合物的微衍射和雷射二極體中的應激分析等。

* BL23SU（錒系元素科學Ｉ）

下圖是用於測量高解析度光電子光譜儀和軟X射線磁性圓二色譜儀（MCD）。光電子光譜儀的能量解析度低於2 meV。MCD的超導磁鐵測量樣品的最大磁場為10 T。這兩種儀器用於錒系材料的電子結構研究，如鈾化合物。

* BL45XU（結構生物學I）

建有兩個實驗站，用於結構生物學研究。蛋白質結晶學實驗站運用X射線結晶領域的MAD方法，即多波長異常衍射來利用同步輻射光。安裝在測角儀上的用於蛋白質晶體的三色譜儀可產生三種不同波長的Ｘ射線。

　　測角儀

五、重大科研成果

1.揭開水分子的神秘結構和運動模式的秘密

水是人們再熟悉不過的物質，水分子結構H2O更是眾所周知。但或許人們沒有深入思考過：冰將巨大的冷卻能量儲存在哪裡？為何水在4oC時密度最大？而4oC以上或以下，水密度都降低？為何固態冰的密度小於液態水？

日本科學家在SPring-8進行了水和冰的結構解析，一些新發現解決了長期以來爭論不休的關於水性質的問題。他們利用高能非彈性散射光束線BL08W，成功地進行了康普頓散射（Compton scattering）實驗，直接觀測到了冰在高解析度下的結構和功能，核實了分子動力學模擬的準確性。這一基礎研究成果，可有助於開發熱儲存材料，解析未來新材料的熱存儲性。論文發表在美國頂級科學雜誌。

其實早在2008年，日本理化所RIKEN的科學家們就利用SPring-8的BL17SU光束線和軟X射線光譜，以及小角散射、哈曼（Raman）散射等技術，提出同時存在不同氫鍵模式的兩種水狀態。

2.發展強韌如鐵的通用塑材

塑膠袋和塑料桶等塑料製品因輕便、防水、廉價，已成為我們日常生活中廣泛應用且不可或缺的物品。但同時它也有缺點：抗拉強度低，易變形，不耐高溫。它們由聚乙烯和聚丙烯等聚合物合成製造，在分子水平的結構由碳原子的長鏈構成。聚合物的這種「串狀」結構使塑料製品質地如生物材料般柔軟。然而，科學家研究發現：材料的抗拉強度會隨著聚合物的鏈長加長而增加；當碳鏈擁有與鑽石中碳原子共價鍵類似的抗拉強度時，通用塑料會變硬，但不會有鑽石般的強度。

廣島大學藝術和科學綜合研究生院（The Graduate School of Integrated Arts and Sciences, Hiroshima University）的特聘教授彥阪正道（Masamichi Hikosaka）專注於聚合物長鏈，以及它們結構和特徵變化的研究。他通過X射線衍射和其它方法檢驗了聚乙烯長鏈的共混相結構和其對性質的影響；制定了理想聚合物晶體的生長機制、滑動和擴散的效應機制等。1987年，提出了「聚合物晶化的滑動擴散理論（Sliding diffusion theory of polymer crystalisation）」。

彥阪教授領導的研究小組和他的博士生岡田清香（Kiyoka Okada，她在2003-2007年利用BL40B2光束線，觀察到原子核核化過程。）從2007年到2010年期間，利用SPring-8的X射線散射裝置，首次成功研發了一種聚丙烯基、具有強韌拉伸力和超耐熱的新型塑料：NOCs（nano-oriented crystals）。

普通塑料之所以抗拉能力差，是因為結晶度低。結晶度在50%左右的，即為高品質塑料。換而言之，結晶度越高，分子間的相互作用力越強，抗拉強度和耐熱性越強。當聚合物分子規則排列時，晶體形成。因此若要提高結晶度，就必須儘可能地讓聚合物分子規則排列。

Masamichi Hikosaka教授 Kiyoka Okada博士手舉新型聚丙烯

彥阪教授領導的研究小組發現了當塑料在熔融狀態下使聚合物規則排列的方法，並證明應用該方法的結晶度為92％。因為NOCsS的結構看上去像鐵甲，由一小片一小片的鐵板組合而成，因此該模型被稱作「鐵甲」模型。新型聚丙烯擁有比普通塑材約七倍的抗拉強度，耐熱溫度達170°C或更高176°C，透光率99％，可回收，而且價格便宜，因為只需在傳統的聚丙烯生產過程中增加一道工序。

這一奇妙的新塑材最可能應用於傳統汽車工業中鋼鐵車身的改造，雖然車身厚度將增加一倍，但重量僅為鋼材的四分之一。

3.解析鈣泵動態結構的變化

多種離子參與生物體的生物活性。鈣2+離子促使肌肉運動，是生物體中至關重要的離子之一，它儲存在肌原纖維內質網中。當鈣2+離子被釋放到肌肉細胞中時，肌肉即收縮。同時，鈣2+離子還需回到內質網中使肌肉舒張。一種稱為鈣泵的膜蛋白負責泵回鈣2+離子。

泵回鈣2+離子，涉及獲取和釋放兩個過程參與，鈣泵的結構也相應發生變化。東京大學分子和細胞生物科學院的豐島教授（Chikashi Toyoshima，Institute of Molecular and Cellular Biosciences of the University of Tokyo）首先發現了這一結構變化，並解析了9種狀態下的鈣泵結構。

他的研究成果依次發表在英國2000年，2002年和2004年的《自然》雜誌上。鑑於這一系列的傑出成就，豐島教授被授予2009年的朝日獎（Asahi Prize）。

　　鈣泵反應周期中的某種狀態

左：鈣泵結構變化示意圖。該圖所示為鈣泵反應周期中結構變化的一個環節：ATP被束縛，Ca2+離子被困於膜蛋白中。中間的結構變化以灰色呈現。

右：2000年《自然》雜誌封面

4.在隕石上發現新型磁性材料

每年，成千上萬噸隕石落到地球，它們表面雖被燒成焦黑，但內部的金屬和礦物質成分仍保持不變，因此被稱作太空的「化石」。它為人類了解太陽系的奧秘提供了有力證據。

日本同步輻射研究機構的小杉正人博士（Masato Kotsugi, JASRI）利用SPring-8的BL25SU光束線上的光電子發射顯微鏡（PEEM）解析了鐵隕石的結構。鐵隕石是由富含鐵的α相和富含鎳的γ相組成。小杉博士證實了在鐵鎳界面處存在一種納米級的礦物層，稱做Tetrataenite。但它在地球上並不存在，將成為一種優秀的新型磁性材料。小杉博士近一步分析了Tetrataenite的特點，由50％的鐵和50％的鎳組成，鐵和鎳原子交替排列，為規則的周期性晶體結構。它產生一種硬磁，即磁化方向不會輕易改變。著名的硬磁材料包括永久磁鐵和混合動力汽車中發動機使用的材料。

小杉博士的另一個重大發現：Tetrataenite在硬碟製造方面將是一種很有潛力的替代品。白金（Platinum）是下一代硬碟不可缺少的材料，但它是一種罕見的金屬，價格節節攀升。目前對白金的需求已經超過了其生產能力。每年大約有2噸的白金被用於全球硬碟生產。如果鐵和鎳人工合成的Tetrataenite可以作為硬碟材料，那麼白金的消費量將大大減少，從而促進資源節約和硬碟的低成本生產。

日本東北大學的三椏千春教授（Chiharu Mitsumata, Tohokyu University）正在開展人工合成Tetrataenite的基礎研究。

小杉博士和三椏教授因而摘得2010年杜布-克勞斯國際金相大賽第二名的桂冠（DuBose-Crouse Award, International Metallographic Contest）。

　　Masato Kotsugi博士 Chiharu Mitsumata教授

 5.利用納米技術成功研製全固態安全電池

京都大學的北川浩教授（Hiroshi Kitagawa, Kyoto University）和九州大學的理惠博士（Rie Makiura，Kyushu University）進行了納米尺度碘化銀（AgI）粒子的研究。他們在世界上首次證實了室溫條件下實現穩定的固體電解質的可能。這項研究成果因巨大的發展潛力而受到高度重視。論文2009年5月發表在英國科學雜誌《自然材料》（Nature Materials）上。

6.解析了Rab27B和Slac2-a的立體結構

2004年，東北大學生命科學院研究生院的福田博士（Mitsunori Fukuda, Tohoku University）在分子水平上闡明了黑素細胞黑素的傳輸機制。2008年，他與理化學研究所（RIKEN）的橫山教授（Shigeyuki Yokoyama）合作，在SPring-8上的BL41XU結構生物學I實驗站成功地解析了Rab27B和Slac2-a的立體結構。他們確定的結構數據將極大地促進新的肌膚美白品和預防白髮產生的藥物研發。

7.新型口香糖Pos-Ca有效預防蛀牙

江崎格力高有限公司健康科學實驗室的田中智子醫生（Dr.Tomoko Tanaka, the Health Science Laboratory of Ezaki Glico Co, Ltd）發現磷酸寡糖鈣支持牙齒的再礦化，促進了磷酸寡糖鈣（Pos-Ca）新型口香糖的問世。

左：Tomoko Tanaka在SPring-8實驗室 右：新型口香糖

8.抗流感病毒的新藥研發

流感病毒由8個RNA基因組成，且病毒粒子表面還有兩種類型的穗狀蛋白：血凝素（HA）和神經氨酸酶（NA）。由於本身結構簡單，病毒不能自我複製。但它們侵入人體宿主細胞後可利用人體細胞的複製系統熟練地進行複製。

HA如一把鑰匙，在與細胞表面的糖蛋白結合後，流感病毒便可侵入人體。NA則在子代病毒從細胞分離和釋放中起著重要作用，是幫助病毒感染其它細菌的酵素。構成以上兩種蛋白的胺基酸容易產生突變。迄今，科學家們已發現了16種HA和9種NA蛋白。這些蛋白質任意組合為多種類型的流感病毒（H1N1--H16N9）。例如，2009年流行的甲流感H1N1和1997年開始流行的H5N1病毒：禽流感。

流感病毒共編碼10種蛋白，其中RNA聚合酶在病毒基因複製中相當重要。它包括3個亞基：PA，PB1和PB2。當其中一個缺乏，RNA聚合酶就失去了酶的功能導致病毒不能複製。因此，如果能夠確定這3種亞基組合的立體結構，就可以阻斷RNA聚合酶的功能。

2008年7月，橫濱市立大學納米生物學研究生院山姆博士（Dr. Sam-Yong Park, Graduate School of Nanobioscience, Yokohama City University）成功解析了PA和PB1的組合結構，分析了與病毒複製相關的酶結構，這將加快新的抗病毒藥物的研發。實現「冬季人們不用再擔心流感」的願望為期不遠了。

　　左：RNA聚合酶亞基示意圖 右下：RNA聚合酶亞基結構

　　右上：PA（239-716）和PB（1-81）複合體成功結晶，BL41XU，SPring-8。

9.通過分析彗星塵埃揭示太陽系形成的秘密

美國「星塵號」飛船（Stardust Project, 1999-2007）把分散的懷爾德二號（81P/Wild）彗星塵埃樣本收集並帶回了地球，人們期望通過對這些樣品的分析，獲得關於彗星及整個太陽系46億年前起源的信息。

九州大學中村智城博士（Dr. Tomoki Nakamura, Kyushu University）對彗星塵埃進行了深入的研究。他利用SPring–8上BL37XU的X射線衍射實驗裝置和高能加速器研究機構（KEK）的同步輻射設施，分析和測定了構成塵埃的晶體類型和豐度比。之後，大阪大學研究生院的土山晃教授（Akira Tsuchiyama，Osaka University）利用BL47XU的CT掃描，實現了彗星塵埃的內部結構可視化。

中村博士發現「隕石球粒」源於太陽系外的彗星塵埃，因此不能再用傳統的太陽系形成模型解釋。「隕石球粒」是古老隕石的主要組成成分，富含鎂、矽和少量的鐵。博士認為「球粒」的遷移發生在塵埃盤組成的原始太陽系中；但他表示將提高至少20個樣品的分析精度，以獲得具有統計意義的結論。他還將繼續開展彗星隕石年代測量，確定遷移時間。預計新的太陽系形成模型即將建立。

10.納米技術推動「新材料」的創新

1985年發現的富勒烯形狀特徵——包含60個碳原子，如同一個足球——引起了科學界的廣泛關注。1991年，發現柱狀碳納米管。2008年1月，名古屋大學北浦良副教授和筱原久典教授（Ryo Kitaura & Hisanori Shinohara, Nagoya University）成功地合成一種納米級的金屬絲。

碳的同素異形體：鑽石和石墨，富勒烯和碳納米管

純金容易發生氧化反應，但一根非常薄的納米線可以穩定地存在於空氣中，因為納米尺度的材料有一個獨特的穩定結構。為了觀察納米管的內部結構，北浦良副教授在SPring –8的BL25SU實驗站進行了固體軟X射線光譜實驗。他觀察到X射線對Er的吸收是唯一的，從而確定了ErCl3線形成於碳納米管。

在富勒烯中的碳納米管，看起來像豆莢

ErCL3結構模型（紅色為Er原子，綠色為CL原子）

日本東京大學和理化學研究所的相田卓三教授（Takuzo AIDA，University of Tokyo/RIKEN）被譽為世界上最富有想像力和最高產的高分子化學家。近些年來，他將SPring-8作為重要的研究工具，首先成功確定了一種新型導電石墨納米管的結構。接著，他以堅實的證據表明石墨分子的親水性和疏水性在疏水基緊密相連，形成管狀螺旋的分子對。另外，他還成功設計了擁有分子間短程序的液晶相。這兩項研究成果2008年都發表在美國化學協會雜誌上(《Journal American Chemical Society》）。2009年，「盤狀分子中的雙連續立方液晶材料」設計榮登美國化學協會雜誌的封面，他也因此獲得美國化學學會高分子化學獎。

新型石墨納米管 Takuzo AIDA教授

11.發展地震觀測技術

在東京工業大學（Tokyo Institute of Technology）、日本海洋地球科學和技術署（Japan Agency of Marine-Earth Science and Technology）、日本同步輻射研究中心（JASRI）三方通力合作下，發現地球內核在最深部分的材料是六角密排結構的鐵。金屬鐵在超高壓和超高溫條件下的狀態，類似於使用超高壓和超高溫模擬的地球內核狀態。科學家們利用SPring-8高亮度的X射線觀察金屬鐵的單晶結構變化，第一次發現在高溫高壓極端條件下，六角密排的結構穩定。該晶體結構的解析有助於人們對地震觀測的分析，大大加強了人們對地核形成及其發展變化的認識。這一成果發表在美國2010年10月15日的《科學》雜誌上。

12.從分子水平解析自我組裝的凝膠機制

日本北九州市立大學（The University of Kitakyushu）和JARSI的一個聯合研究小組最近宣布：利用SPring – 8高亮度同步輻射，在BL03XU先進軟材料、BL40B2結構生物學II實驗站上解析了溶劑在凝膠狀態下的分子結構。該研究成果得益於有機凝膠因子（organogelator，低分子量化合物）。只要在其中加入相當於1％的溶劑就能使整個溶劑發生凝膠，這將大大有助於預防海上石油洩漏造成的環境汙染。論文在線發表在2010年10月的《聚合物雜誌》上。

六、展望未來

傳統的光學顯微鏡解析度受限於光的波長，而X射線的波長比可見光短1萬倍，解析度達到原子級，也就是說可以觀察到物質中單個原子的三維結構，X射線廣泛應用於醫療、生命科學和材料科學等。但X射線光源（包括同步輻射）產生的光不甚均勻，波場不相一致；雷射則利用一對鏡子可產生均勻的光。這促使科學家們竭盡心力探索一種新的技術，實現無鏡雷射，即X射線自由電子雷射（XFEL: X-ray Free Electron Laser）。XFEL是組合了自由電子態雷射特性的X射線，被稱為最有前途、最具科學探索和發現價值的未來新光源，亦被稱作「夢之光源」和「科學時代的新曙光」。它同時擁有雷射和輻射光的雙重特性，可工作於整個X射線波段區，它在亮度、相干性和時間結構上都大大優於第三代同步輻射光源，被國際公認為是「第四代光源」的可行技術路線之一。

美國、歐洲和日本都相繼發展了XFEL，並提高到國家戰略的高度予以部署和實施。美國史丹福大學的直線加速器相干光源LCLS（Linac Coherent Light Source，Stanford Linear Accelerator Center, USA）已經在2009年出光，是世界上首個X射線自由電子雷射裝置。歐洲自由電子雷射裝置（European XFEL）由德國DESY和其它11個歐洲國家共同參與，核心工程為長達3.4公裡的地下隧道，已於2010年7月1日正式動工，預計2014年完工，2015年將進行首次科學實驗。

SPring-8早已著手了XFEL的預製和研究工作，加速器樣機也成功產生第一束雷射束。2006年，XFEL項目工程開工。目前，700米長8GeV的X射線自由電子雷射裝置正在最後的建設中，預計將於2011財政年度投入運行。在

　　黃色區域：加速器和光束線研發樓，加速器測試樣機安裝在該樓中。

　　紅色區域：RIKEN和JASRI的聯合項目SPring-8 XFEL裝置所在地。

　　SPring-8 XFEL鳥瞰

1.裡程碑式大事記

2000年4月：起草XFEL概念設計：緊湊型和低成本型。

2002年10月：完成短時高磁場真空波蕩器的研製。

2003年12月：電子槍研製成功，發射率值為世界之最。

2004年11月：XFEL的研發團隊組成。

2005年1月：日本文部科學省MEXT匯報光與光子科技的未來研究和發展政策，XFEL將作為國家重要科研項目立項。

2005年4月：開始研製250MeV的測試裝加速器。日本文部科學省MEXT的自民黨工作組確定新一代同步輻射光源作為「國家級重要的關鍵技術」。

2005年5月：XFEL用戶委員會成立。

2005年11月：第一束電子束成功通過測試加速器，並證實產生同步輻射光。

2005年12月：日本政府從2006年國家財政預算中撥款23億日元用於XFEL裝置的建設和研究。

2006年2月：RIKEN和SPring-8諮詢委員會RSAC指出：自由電子雷射XFEL和大型同步輻射設施SPing-8的聯合在全世界屬獨一無二，因此日本應在XFEL的建設方面起到帶頭作用。

2006年4月：RIKEN和日本同步輻射設施研究機構JASRI成立XFEL項目合作辦公室。

2006年6月：在測試加速器中成功完成49nm UV X射線的雷射振蕩，並成功出光。

2007年7月：XFEL裝置正式開工。

2009年3月：加速器大樓和波蕩器所在大樓完工。

2009年4月：開始安裝電子槍、加速管、波蕩器等。

2010年5月：實驗樓建設完工。

2.XFEL設施

SPring-8的X射線可產生比太陽亮100億倍的光，而XFEL產生的光要比SPring-8還要亮10億倍，脈衝比現有的X射線源短1000倍。更高亮度的光源使科學家們能夠更真實地觀察原子的三維結構和它們的超快速運動。

設計參數：

電子束能量：8 GeV

電子束直徑：40 um

X射線波長：>0.06 nm

X射線峰值功率：5 GW

X射線脈衝長度：<100fsec

X射線峰值亮度：1033光子/s/mm2/mrad2/0.1%b.w.

電子束的原始品質決定了自由電子雷射的質量。科學家們特製了一種超高壓熱電子槍，使用單晶鈰—六溴硼化物陰極（CeB6, a single-crystal cerium-hexaboride cathode）來發射精細、準直性高、穩定的電子束。然後，其被輸運到電子束壓縮系統內，峰值電流將加強到幾千安培。

電子束能量通過C波段直線加速器迅速提高至8GeV，然後輸運進真空波蕩器產生強烈的XFEL輻射。

　　電子槍和CeB6發射器

　　左：直線加速器和C波段加速結構 右：真空波蕩器

C波段直線加速器是SPring-8和KEK開發的。C波段的加速梯度（35MeV/m）使加速器的長度大大縮短。總長原為1282米亞微米精度的加速器構造，最終安裝在長為400米的隧道中。

　　C波段直線加速器

　　真空內波蕩器

3.創造新科技

相干X射線成像技術：可獲得各種材料原子水平的顯微圖像。

成像過程：X射線雷射→樣品→相干散射模式→相位恢復→結構清晰圖像

XFEL的超短脈衝可探測物質飛秒的超快速運動。

蛋白質結構解析：新材料解析必將引領生物和醫學新功能產品的誕生。

活細胞生物：實時數據採集將為活細胞的研究打開了新的道路。

納米技術：超短波的XFEL將有助於創造新功能材料。

藉助XFEL，科學家們能夠觀察天文、等離子科學和基礎物理的極端現象。

日本國家科學研究院的分子科學研究所（Institute for Molecular Science）、新瀉大學（Niigata University）、名古屋大學（Nagoya University）和JASRI/RIKEN聯合研究向氬原子輻照強烈的超紫外自由電子雷射，成功解析了多電子發射的具體過程。

科學家們為了精確測量自由電子雷射中的波動，分析了雷射脈衝以每秒20脈的速度輻照氬原子的所有電子能。他們發現電子與多光子的吸收只發生在光強很高時，並澄清了在多光子吸收過程中共振態的重要性。該研究成果表明，在選擇恰當的雷射波長基礎上相應的共振條件，利用X自由電子雷射，可以促進納米科學、納米技術和材料製備的研究。論文發表在2010年9月24日美國物理學會的科學期刊《物理評論快報》上。

中科院高能物理研究所科研處 中科院大科學裝置辦公室

資料來自http://www.spring8.or.jp/en/