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瑞士保罗谢尔研究所(PSI)
时间 : 2011-07-06     

瑞士保罗谢尔研究所PSI


大型综合研究基地 / 指导原则 / 科学研究 / 大型科研设施


世界上少有的能同时提供同步辐射X射线、中子和介子探针的大型综合研究基地

瑞士保罗谢尔研究所(Paul Scherrer Institute,简称PSI)位于瑞士北部的苏黎世和巴塞尔之间的阿勒河畔,是瑞士最大的国家研究所,科学和技术的多学科研究中心。PSI以瑞士物理学家保罗谢尔(Paul Scherrer,1890-1969)的名字命名。他在世界著名的瑞士联邦理工学院ETH进行教学和研究,对瑞士自然科学研究作出很大贡献。

PSI在与国内外大学、其他研究机构和工业界的合作中,将研究重点放在基础研究和应用研究,特别是与可持续发展有关的领域和对教育和培训具有重要意义、但超出大学单个系能力的领域。PSI在固态物理、材料科学、基本粒子物理、生命科学、核与非核能研究及与能源有关的生态学的研究中非常活跃,是世界能源研究领域的领导者,也是瑞士唯一一家从事这方面研究工作的研究所。

1988年1月1日,瑞士原子核研究所与瑞士联邦反应堆研究所合并组建了PSI,阿勒河下游的山谷因此成为一个重要的研究中心,并很快赢得了较高的国际声誉。PSI现有雇员1200人,它同国际、国内多所大学和研究院所等建立了良好的合作关系。

 

PSI位置示意图(图片来自Google)

PSI鸟瞰(图片来自Google)

PSI为来自瑞士国内和国际科学界,特别是凝聚态、材料科学和生物学领域的用户运行着大型的研究设施。PSI拥有散裂中子源(SINQ)、瑞士同步辐射光源(SLS)、缪介子源(SμS)等大型科研设施,是瑞典国内外科学界主要的用户实验室之一,也是世界上仅有的两个能提供同步辐射X射线、中子和介子三类探针的大型研究基地之一。这三类探针功能互补,每年大约为2000余位世界各地的科学家提供凝聚态或基本物理、化学、生物学和材料科学等领域的高水平实验条件。通过在PSI开展的研究,不仅获得新的基础知识,并积极促进其在工业上的应用。2017年左右,PSI还将建成相干X射线光源即SwissFEL。届时PSI的综合优势将更加突出。

PSI的用户实验

PSI在研制和运行需要特别高标准技术诀窍、经验和专业的大型复杂研究设施方面有其独特的优势。例如,PSI的设计人员通过一些特殊的技巧来让SLS所产生射线的能量达到与欧洲同步辐射装置ESRF(European Synochrotron Radiation Facility)相同的功能,将现有的用来增加X射线密度和扩大波长范围的波荡器技术发挥到了极限。尽管这台加速器的周长只有288米,可产生的电子束能量达到了2.4 GeV,而成本只有8900万美元,比ESRF建设成本的三分之一还要少。

 

PSI的指导原则

¨质量 — PSI承诺开展最先进的科学研究,促进和开展交叉学科研究,面向市场,质量领先。

¨用户实验室 — 为自己的利益,PSI在设计、建造和运行大型装置方面与国内外研究界进行合作。

¨研究 — PSI利用自己复杂的装置在物理、化学、生物、能源技术、环境科学和医学方面开展自己的研究。

¨继续教育和培训 — PSI与大学密切合作,为雇员提供继续教育和培训。

¨技术转让 — PSI与工业界结成伙伴,促进研究成果转化为新产品、新技术和新工艺。

¨社会方面 — 通过开展具有国内和国际上重要意义问题的研究,培育与大众的公开对话,PSI力争与社会发生关联,并负有解释的义务。

 

PSI的科学研究

PSI的科学研究项目,极大地得益于大型科技设施。这些涉及广泛的研究课题,可以归纳为三个大的领域:物质结构、能源与环境以及人类健康。

 

课题广泛

部和实验室

人类与健康(Humans and Health

研究部生命科学

辐射医学实验室

放射性药物科学中心

生物分子研究实验室

新材料和微结构(New Materials
and Tiny Structures

研究部同步辐射和纳米技术

同步辐射实验室 (LSY)
微技术和纳米技术实验室 (LMN)

一般能源(General Energy

研究部一般能源 (ENE)
能源和物质循环实验室 (LSK)
太阳技术实验室 (LST)
燃烧研究实验室 (LVF)
电化学实验室 (LEC)
大气化学实验室 (LAC)

核能与安全(Nuclear Energy and Safety

研究部核能与安全(NES

反应堆物理和系统行为实验室 (LRS)
热工水利学实验室 (LTH)
材料行为实验室 (LWV)
废物管理处 (LES)

最小和最大(The very smallest
and the very largest

研究部粒子和物质(TEM

粒子物理室 (LTP)
天体物理室 (LAP)
放射化学室 (LCH)
离子束物理室 (LIP)

缪子作为磁微探针(Muons as Magnetic Microprobes

研究部用中子和缪子研究凝聚态物质

凝聚态物质理论室

中子散射实验室 (LNS)
散裂中子源实验室 (ASQ)
缪子自旋谱学实验室 (LMU)
低温设备室

大型研究装置(Large Research Facilities

大型研究装置部 (GFA)
加速器/发展/运行ABK

加速器/装置和系统ABE

技术支持/协调和运行ATK

 

后勤部(LOG

 

PSI的大型科研设施

PSI拥有世界上仅有的连续中子源SINQ、瑞士第三代同步辐射光源SLS、世界上功率最强的连续束流缪介子源SµS等大规模科研设备,能够深入观察各种物质和材料内部的演变过程。其中某些设备不仅是在瑞士,甚至全世界,都是独一无二的。瑞士大学和企业的研究人员也可以有机会使用这些大型设备。每年,来自瑞士和世界各国的2000多名科学家到PSI进行他们在别处无法进行的实验。除科学研究以外,PSI还拥有瑞士唯一的用质子治疗特殊癌症的设备。2010年后,PSI把重点放在了未来的大型设备SwissFEL上。这是一个X射线自由电子激光器,它可显示在极短时间内原子和分子的结构变化,符合瑞士科研发展的需求。

PSI大型科研设施位置示意图

1、强流质子加速器

 

PSI加速器部分平面示意图

 

 

870keV预注入器         可变能注入器1

预注入器提供870 keV极低能量的束流,而注入器2是个有4个扇形磁铁的环形回旋加速器,设计非常专业化,实现了具有挑战性的目标,提供72 MeV高品质高强度质子束。1984年,注入器2开始运行后取代了可变能量注入器1,向590 MeV环形回旋加速器提供高强度高品质的72 MeV质子束。

72MeV注入器2

可变能注入器1延迟至2010年12月3日才正式退役,它为原子和核物理、放射化学、重元素、生物学研究等领域的研究服务了37年。

590MeV环形回旋加速器

直径15米的环形回旋加速器是590 MeV能量固定束流的分离扇形回旋加速器,包括8个扇形磁铁、4个加速谐振器和一个平顶谐振器,在第三谐波频率运行。高功率的加速器谐振器的设计和制造采用了特殊技术,每个谐振器可向质子束传输约400 kW功率。来自注入器2的72 MeV的电子束,从回旋加速器的背面注入环中心的轨道,加速超过186圈后全能量引出。环形回旋加速器1974年开始运行,按照计划,2013年之前,束流功率将从1.3 MW提高到1.8 MW。

高功率的加速器谐振器

590 MeV的全能量质子束经过通道后穿过两个旋转的石墨轮状的介子靶,轮的厚度分别为40毫米和5毫米。这些靶产生的束流主要用于μ子光谱实验。通过这些靶后,束流经准直,剩余强度70%,进一步引向SINQ散裂靶站,用于产生中子。再分别引导到各种实验设备供研究者使用。以上过程再加上SLS光源、医疗回旋加速器COMET以及低能量注入器2的回旋加速器,PSI的质子加速器都由中心控制室控制。

PSI高强度质子加速器的中心控制室

 

不同厚度的石墨轮状靶

2、散裂中子源SINQ

散裂中子源SINQ(Swiss Spallation Neutron Source)是世界上第一个连续波散裂中子源,中子通量1014 n/cm2/s。中子散射是获得物质结构和凝聚态动态的最有效方法之一。用液态氘慢慢冷却中子,将它们的频谱改变到较低能量,这些中子对生物物质材料的研究特别有价值。从固态物理与化学的基本原理,以及从材料科学到生物学、医学和环境科学广泛的领域均可用中子进行研究。除了散射技术,非衍射方法如成像技术等也不断增强与工业应用的相关性。

 

散裂中子源SINQ位置示意图(图的右下部分)

SINQ主要提供热中子和冷中子束用于研究,同时也作为生产同位素和中子活化分析的设施。除了释放中子的不同过程,它类似于中等通量的研究反应堆。SINQ是个用户设施于1996年投入运行,有兴趣的研究团体均可以提出使用研究设施的申请。

SINQ靶站

SINQ的散裂靶

SINQ中子引导大厅

SINQ实验站示意图

SINQ的实验设备

衍射

HRPT

高分辨粉末衍射仪(热中子)

DMC

高强度粉末衍射仪(冷中子)

TriCS

四圆单晶衍射仪(热中子)

POLDI

应变仪:多脉冲衍射仪(热中子)

ORION

两轴衍射仪(冷中子)

小角散射

SANS-I

小角中子散射摄影仪40米(冷中子)

SANS-II

小角中子散射摄影仪12米(冷中子,PSI-Risø 合作)

反射仪

AMOR

多用反射仪(冷中子)

MORPHEUS

两轴中子衍射仪与反射仪(冷中子)

NARZISS

偏振中子反射仪

分行时间谱仪

FOCUS

分行时间谱仪(冷中子)

三轴光谱仪

Rita-II

三轴光谱仪(冷中子,PSI-Risø 合作)

TASP

三轴光谱仪(偏振冷中子)

背散射谱仪

MARS(*)

高分辨飞行时间背散射谱仪(冷中子)

非衍射及其它用途仪器

NEUTRA

中子射线照相设备(热中子)

ICON

冷中子射线照相设备

BOA

中子光学及其它相近束线

PNA

同位素生产(热中子)

NAA

中子活化分析(热中子)

GJA

裂变产物气流(热中子)

投影仪

EIGER

高强度宽能区热中子三轴谱仪

其它设备和计算机

MuPAD

高导磁合金分析装置

ECHO

超小角中子散射

Sample Environment Devices   样品环境装置

Detectors   探测器

LNS Computing Homepage 中子散射实验室计算机主页

 

高分辨粉末衍射仪HRPT    四圆单晶衍射仪TriCS

多用反射仪AMOR

小角中子散射摄影仪SANS-I

小角中子散射摄影仪SANS-II

三轴光谱仪Rita-II      三轴光谱仪TASP

极化中子反射仪NARZISS

SINQ的运行情况

SINQ1997年以来的运行情况

3、同步辐射光源SLS

同步辐射光源SLS(Swiss Light Source)属第三代同步辐射光源。SLS的设计优先考虑的是初级电子束和次级光子束的高亮度、宽波段和稳定的温度条件。

SLS的主要组成部分是能量为2.4电子伏特的电子储存环(周长288米)。 它提供了高亮度光子束用于材料科学、生物学和化学研究。1997年,瑞士联邦议会两院批准了SLS的建设计划。至2009年6月,SLS建有18个实验站(插入件和弯曲磁铁)和16条运行的光束线。有三条蛋白质晶体学光束线,其中两条由诺华、罗氏等制药公司资助部分经费。

SLS外景

SLS的建造是瑞士科学政策的一个里程碑,也是PSI多学科研究发展和研究设施互补的标志。SLS与散裂中子源SINQ、来自质子回旋加速器的高强介子束流组合,用于多样性的探索。也使研究范围从生物学结构研究、物理、化学和材料科学扩展到纳米技术和X射线光刻等新的范围。

SLS的最初设想在1990年开始酝酿,1993年首次提出项目建议,1996年得到瑞士政府批准。1998年开工建设,仅仅一年之后就开始了机器设备的安装。直线加速器从2000年2月开始调束,年底时储存环已经出束。至2001年6月,加速器电流达到了400毫安的设计指标,一个月后,就在蛋白质晶体学光束线上测到了第一个样品的衍射图。SLS的调试成为典范,保证了新光源按时按预算完成。

SLS光束线和实验设施的建设大大受益于来自世界各地同步光源的合作,2001年8月前,70%的可用光速线向一些选定的用户供光,2001年10月19日SLS举行了落成典礼。在向80个用户群体供光之前,试运行直至2001年年底。

SLS的特点

SLS为先进的第三代光源,性能超过了低能国家光源,并能在硬X射线范围覆盖高能光源。它的性能优化为在真空紫外到软X射线范围产生最高亮度的光。

¨光谱范围非常大,从红外光到硬X射线;

¨直线节的混合(短、中、长),可用最理想的波荡器;

¨波荡器有灵活的偏振方案,在kHz范围可迅速进行偏振的变化;

¨采用Top-up注入,实验束流强度恒定;

¨分别控制磁体电源,储存环的光学性能具有最佳灵活性。

SLS的加速器

SLS的加速器有三个主要组成部分:两级加速包括一个100MeV的电子直线加速器,一个将电子加速到2.4GeV能量的同步增强器,还有周长288米的储存环。大约只需要3分钟就可在储存环中达到400毫安的电流设计值。每个环的半径是相似的,它们在同一个屏蔽的隧道中。储存环是一个有12节装有扭摆器和波荡器的直线段组成的多边形,加上环中的弯转磁铁,产生同步辐射光谱源。

SLS示意图

SLS的直线加速器

SLS的增强器

SLS的储存环

SLS的储存环

SLS的研究主题

·蛋白质的晶体结构,对新药物开发和了解人类基因组十分重要;

·表面的磁特性,与压缩磁性数据存储系统密切相关;

·低摩擦表面;

·表面催化;

·太阳能电池;

·高温超导体;

·新材料或能源相关的环境问题

·表面高分辨率显微检查

·表面微小污染物追踪

·原子光谱分析

·生物材料的三维成像(微断层扫描)

·矿物学、化学、催化等晶体结构测定

SLS光束线分布示意图

2.9 T场强的弯转磁铁

19毫米周期的真空内混合型波荡器

12S真空内波荡器

11M椭圆双波荡器

 

SLS实验大厅

ADRESS线(共振光谱)

MS线(材料科学)

PXIII线(大分子结晶)

XTreme线(X射线吸收谱)

XIL线(X射线干涉光刻)

SIM线(显微镜)

4、缪介子源SμS

缪介子源SμS(Swiss Muon Source)是世界上最强的连续束流的缪介子源,由590 MeV回旋加速器提供2200毫安的质子流。质子束打向两个石墨靶,附属数条μ子(或π介子)光束线,其中两个配有用超导衰变道。可用μ介子的能量范围从0.5 keV - 60 MeV。

连续μ介子束的主要优点是可由快速闪烁计数器进行单独μ介子的探测,容易地提供纳秒或更好时间分辨率的μ介子,使μ介子扫描仪μSR得以延伸研究至更高的μ子自旋频率(几百兆赫,相当于几个特斯拉的磁场)和更短的μ子自旋弛豫时间(与μ子脉冲源相比),时间分辨率由μ介子限脉冲持续时间(一般为50纳秒)限定。正因如此,在欧洲,PSI的SμS设施是脉冲μ介子源ISIS的完美补充。

缪介子源SμS位置示意图(图的中部)

http://lmu.web.psi.ch/facilities/facility.html

 

缪介子源SμS束线示意图

缪介子源SμS的部分低温设施

缪介子源SμS有束线 µE1µE4piM3piE3piE1piE5 

·μE1提供强中能偏振μ介子束,具有非常低的介子和电子污染。

·新μE4提供大接受度低动量(<40 MeV/ c)μ介子束,是为低能μ介子(LEM)光束设施的需求专门设计的,束斑调整到符合LEM仪器介子靶的尺寸。

 

μE1与μE4

低能μ介子束线LEM

· piM3是当前唯一的专用于μ介子扫描仪μSR的束线。

· piE3提供10-250 MeV/c的π介子和μ介子。它的设计与低能量π介子谱仪LEPS的光学特性相配,而且它是仅有的在垂直平面弯转的束线,实验区高于6米。

piM3与piE3

通用表面μ子仪GPS与低温设施LTF

· piE1提供10-500 MeV/c的高强π介子和μ介子束。

· piE5提供低能量(10-120 MeV/c)π介子和μ介子束。

piE1与piE5

5、自由电子激光SwissFEL

SwissFEL位置示意图

SwissFEL基于一种新型技术,将用于观测原子和分子结构中的短暂变化,揭示其背后复杂的内部秘密,可适用于不同研究领域,为社会的现代化发展服务。SwissFEL的研制从2003年起步,2011年以后SwissFEL成为PSI的重点工程。

SwissFEL的设计基于产生波长覆盖范围为1到70埃(Å)(0.1-7纳米)的激光脉冲。直线加速器的总体成本在很大程度上取决于最终的束流能量,因此,关键的设计目标是尽量减少给定波长的辐射所需的电子束能量。

SwissFEL总长度713米,包括:电子注入器和加速器隧道、波荡器和光子输运大厅、光束线实验大厅。

总长度713米的SwissFEL

 

SwissFEL的结构示意图

SwissFEL的设计示意图

SwissFEL的波荡器示意图

从SwissFEL的结构可见,主加速器可提供能量近6 GeV的束流,共分三个分支。

分支1:使用5.8 GeV的整个直线加速器,提供0.7纳米(1.8 keV)至0.1纳米(12.4 keV)的线性偏振光。

分支2:提供0.7纳米(1.8 keV)至2.8纳米(0.4 keV)的可调谐偏振光。

分支3:提供1.8纳米(0.7 keV)至7纳米(0.2 keV)的可调谐偏振光。

SwissFEL采用高端先进技术,为了探讨这些技术特开发了两个测试设施。一个是低发射度电子枪LEG实验设施,专为进行电子源和发射过程中的研究。另一个是S波段射频光子注入器驱动的250 MeV加速器实验设施,经详细审核和优化后将用于SwissFEL加速器。250 MeV加速器实验设施2010年8月24日开始运行。

LEG实验设施的激光实验

250 MeV加速器实验设施的电子源及注入器前端部分

SwissFEL发展路线图

SwissFEL建设进度表

SwissFEL建成后将继续引领相干X射线的研究。在快速发展时代,科学家必须有合适的科研基础设施,使尖端的研究成为可能。世界各地的专家预测了未来几十年对相干X射线光源即自由电子激光(FEL)有巨大的需求。使用此类光源,生物学、化学、物理学、材料科学等学科的跨学科团队,将能了解材料的内部结构以及其中发生的物理过程。不久的将来,世界上将有三个大型的FEL设施:美国、日本和德国(作为一个泛欧洲项目)。PSI也计划建立这样一个具有类似性能的设施,称为SwissFEL,但建造成本更低。PSI将为世界科学界提供一流的科研设施,创建峰值强度超过瑞士光源SLS约百亿倍。然而,因研究的问题不同,SwissFEL并不会取代SLS。

SwissFEL的建设是PSI战略发展重点的重要组成部分,PSI将进一步拓展跨学科和国际项目的有吸引力的平台。SwissFEL并会确保瑞士在未来的许多年继续保持这方面的领先地位。

6、质子治疗设备

建在PSI的质子治疗临床中心

PSI质子治疗设备示意图

PSI拥有的质子治疗肿瘤的设施是瑞士唯一的。

1984年起,肿瘤患者就可在PSI质子治疗设施上进行治疗。该设备由PSI自己的专家研制,在世界上一无二。它的照射技术利用了质子的固有优势,对肿瘤进行选择性的破坏,而对周围的健康组织进行最佳的保护。

OPTIS是质子放射治疗眼癌的全新技术,已引起国际上的关注,中期目标是改造为一个在癌症治疗上有突破的适销对路的产品,与工业伙伴合作开发技术和设备。

COMET回旋加速器2001年5月专为质子医疗应用而设计,是超导的250 MV设备,用于深层肿瘤的质子治疗。COMET回旋加速器2005年初开始调试(使用Gantry系统),2007年2月开始,病人全年都可在COMET上进行质子治疗。具有全新扫描功能的Gantry 2开始建造,将在严格测试后用于治疗。

2004年开工建设的COMET回旋加速器

PSI的质子治疗设备Gantry

已安装好的Gantry 2

目前,研究人员正在研究如何对遍布全身的非常小的肿瘤进行治疗,传统的放射疗法无法治疗,PSI创建了由称为抗体的特殊生物分子与放射性原子核组合的治疗分子。这种分子能够选择性地针对和摧毁肿瘤细胞。PSI的工作与大学、医院和制药业非常紧密的合作,以确保这一领域的基础研究与医院临床试验最有效的协调。

 

中国科学院大科学装置办公室  资料来自:http://www.psi.ch/http://www.psi.ch/history-of-psi