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日本理化学研究所(RIKEN)
时间 : 2011-11-29     

日本理化学研究所RIKEN


跨地域的大型研究基地 / 研究所使命 / 野依动议

发展历史 / 研究机构 / 大型科技设施


跨地域的大型研究基地

日本理化学研究所RIKEN(RIkagaku KENkyusho/Institute of Physical and Chemical Research)创立于1917年,是日本最大的综合性研究所,坐落在紧邻东京的小城和光市。

RIKEN是日本唯一的自然科学研究所,其研究领域包括物理、化学、生物学、工学、 医学、生命科学、材料科学、信息科学等,从基础研究到应用开发十分广泛。RIKEN有大约3000 名研究人员,每年的预算约62亿人民币,大部分研究经费来自政府。1982年RIKEN与中国科学院缔结了多方位的研究合作协议,很多中国研究人员在RIKEN从事研究工作,为中国科学技术的发展做出了贡献。

 

 

 

RIKEN总部位置图(图片来自Google)

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RIKEN总部鸟瞰

 

近年来,根据日本科技发展的国家目标及世界科技发展趋势,RIKEN进行了加强生命科学及交叉领域为重点的科技布局调整,特别加强了在基因科学、结构生物学、生物仿真控制、发生生物学、脑科学等领域的研究。如今的RIKEN在物理、化学、脑科学以及生物等多个前沿领域的研究成绩斐然,成为实实在在的世界级科研中心。RIKEN由一个研究所逐步发展成为跨地域的大型科研基地的发展模式很有特点,值得研究和借鉴。

 

RIKEN的使命

·开展最尖端的自然科学研究,通过不同学科的战略性综合开发拓展新的前沿研究领域;

·给科学界构建最高水平的基础研究设施,并提供充分使用这些设施的机会;

·设立新的科学技术研究体制,推动科学技术研究,培养年轻的研究人员;

·将科学研究成果造福社会,为提高人民生活水平以及文化和教育水平做出贡献。

 

野依动议

RIKEN现任理事长、2001年诺贝尔化学奖获得者野依良治教授,作为一位成就卓著的战略科学家,上任伊始提出了五点“野依动议”要将RIKEN 建设成为:

·看得见的RIKEN;

·在科学技术史上继续辉煌的RIKEN;

·充分调动科研人员积极性的RIKEN;

·对世界和社会发挥作用的RIKEN;

·对人类文明和文化做出贡献的RIKEN。

 

RIKEN的发展史

 

本地发展(和光)

地域扩展

大科学设施

19173

RIKEN创立

 

 

1937

 

 

建成日本第一个回旋加速器(直径65厘米

1944

 

 

建成直径150厘米的回旋加速器(二战结束后被占领军摧毁)

1952

 

 

建成直径65厘米的回旋加速器

19633

迁到现址埼玉县(Saitama)和光市(Wako

 

 

1966

 

 

建成直径160厘米的重离子回旋加速器

1980

 

 

建成世界上第一个可变频率直线加速器RILACRIKEN Heavy-ion Linac

198410

 

在筑波(Tsukuba)研究学园都市设立生命科学筑波研究中心,发展DNA重组技术

 

198610

设立先进科学研究所(前沿研究系统)

 

 

1987

 

 

建成RRC重离子环形回旋加速器,RILAC作为注入器

198810

 

与日本原子能研究所JAERI成立联合机构

负责在京都(Kyoto)建造大型同步辐射装置Spring-8

1989

 

 

建成AVF回旋加速器

199010

 

在仙台(Sendai)市设立光动力学研究中心

 

199310

 

在名古屋(Nagoya)设立生物模拟控制研究中心。

 

19954

 

成立RIKENRAL分所

在英国Rutherford Appleton研究所建造了μ介子科学研究设施

199710

设立脑科学综合研究中心

在播磨(Harima)科学公园都市设立播磨研究所

SPring-8开始运行,主要开展生命科学及其交叉领域研究

19974

 

在美国布鲁克海文国家实验室(BNL)设立RIKENBNL研究中心,重点研究相对论重离子对撞机物理计划、硬量子色动力学/自旋物理、格点量子色动力学和相对论重离子物理

RIKEN BNL研究中心的研究重点是相对论重离子对撞机物理计划、硬量子色动力学/自旋物理、格点量子色动力学和相对论重离子物理。

199810

设立基因组科学综合研究中心

 

 

20004

生命科学筑波研究中心改称为筑波研究所,

设立植物科学研究中心,

设立发生与再生科学综合研究中心,

设立基因多型研究中心。

设立横滨(Yokohama)研究所

横滨研究所由现有的基因组科学综合研究中心、新设的基因变异型研究中心和植物科学研究中心构成,它实际上把该所关于人和植物的基因组、蛋白质以及基因信息科学等最尖端的科学技术研究部门集中在一起。从200010月份起,有360名科学家开始在这里从事关于基因科学的研究活动。

2001

设立生物资源研究中心,

设立免疫与过敏科学研究中心

 

 

2002

设立中央研究所

设立神户(Kobe)研究所,下设发展生物学综合研究中心和再生医学综合研究中心

 

2003

RIKEN改制为独立行政法人机构

 

建立了跨学科合作研究体制,开拓新的研究领域,开展工业应用的种子研究。

2004

 

与产业界联合创建了融合的联合研究制度

由日本国内企业提出研究开发课题,或公开征集并联合选定新的研究课题,将RIKEN的研发能力与企业的研发能力融合,促进两者在基础和应用阶段的联合。

2005

 

成立知识产权战略中心

满足社会需求,加速专利研究成果产业化。

20057

 

神户研究所设立传染病研究网络支援中心、放射线科学综合研究中心

 

20064

设立仁科(Nishina)加速器研究中心

 

 

20066

 

 

Spring-8成功研制700X射线自由电子激光的60样机

2006

 

 

建成fRCIRCSRC

20074

 

在神户建立分子成像研究学院

 

2007

 

 

放射性同位素工厂RIBF 

20083

1998年建立的基因组科学综合研究中心关闭

 

 

20084

发现研究所和前沿研究系统相结合,形成先进科学研究所(ASI

SNP研究中心集成到基因组医学中心

设立RIKEN-MIT神经回路遗传学中心(CNCG

 

 

200810

 

形成分子影像科学中心(CMIS

 

20107

建立先进计算科学研究所

 

 

20114

建立定量生物学中心

 

 

 

 

RIKEN的研究机构

RIKEN建所90余年,研究所的地域不断扩展,由和光增加到筑波、播磨、横滨、神户、名古屋、仙台以及海外。

·和光研究所

(1)中央研究所

由具有自主性的众多研究室组成,在跨学科的弹性运营下,推进独创研究与启蒙研究。在各研究室中,在自由自主的想法下产生课题,并推动先端科学技术的课题研究。在各研究室获得的科研成果的基础上,创造跨学科的研究体制,在复合领域、融合领域中,推进新研究学科的创造和产业实用化发展为目标的基础科学研究。在基础科学研究中培育出的激光等光科学技术得到进一步发展,通过RIKEN的内部合作、与大学及其他研究机构的协作,开展综合前沿的光科学研究

(2)前沿研究系统(FRS)

FRS是RIKEN的三大核心研究机构之一,发挥着连接“以自由想象为根本进行多样基础研究的中央研究所”和“众多推进面向目标研究项目的研究中心”的作用,对RIKEN新研究领域的发展有直接的影响。FRS的研究人员在一定时间集中,组成流动的研究体制,推进未涉足的前沿基础研究,在实施生物体超分子系统研究、时空间机能材料研究的同时,开展在仙台、名古屋实施的万亿赫兹光频研究、生物模拟控制研究,以谋求地方和RIKEN研究潜力的融合。积极推进“独立主干研究项目”,具有创新能力的青年科学家可在广阔的领域独立开展研究。

(3)脑科学综合研究中心

脑科学研究是自然科学中的前沿课题。“脑科学综合研究中心”大力推进“认识脑”、“保护脑”、“创造脑”、及“培育脑”4个领域的研究,致力于对克服老年痴呆症等疾病及创造出与脑型计算机开发相关的新技术,新产业做出贡献。

(4)仁科加速器研究中心

积极推进基本粒子、原子核在农药、医疗等产业的应用研究。

·筑波研究所(生物资源研究中心)

与国内外相关机构协作,从国内外收集大量实验用的动物个体、细胞、基因、微生物及含有相关信息的生物遗传资源并保存,进行严格质量管理;向国内外的研究者提供生物资源及相关信息;建立新资源并开发管理解析技术。

·播磨研究所(放射光科学综合研究中心)

利用SPring-8的同步辐射光源解析蛋白质等巨大生物体高分子的复杂构造进行构造生物学研究;开拓物质科学新领域的研究。进行SPring-8光源和光学系统的技术开发,研制下一代光源“X线自由电子激光(XFEL)”。

·横滨研究所

(1)基因组科学综合研究中心

对基因、基因组及蛋白质的研究取得了举世瞩目的成果,正致力于在新医疗技术、环境保护技术、食品生产技术等各种产业上取得突破。

(2)植物科学研究中心

对具有代表性植物进行基因组机能的研究,特别是以理解代谢系统而进行的代谢学研究为基础,对植物独自的生理机能系统进行重点研究。

(3)基因多型研究中心

以基因多型中的碱基因多型SNP( Single Nucleotide Polymorphism)为对象,对一系列疾病的SNP进行解析。

(4)免疫与过敏科学综合研究中心

对免疫系统的形成、维持、破坏等基本机理进行研究,推动临床应用研究与临床机构的密切合作。

(5)传染病研究网络支援中心

建立了各种传染病研究网络,对最新的国内外传染病研究动向进行调查,通过各种支援活动将研究成果服务于社会。

·神户研究所(发育与再生科学综合研究中心)

开展世界最尖端的生物发生与再生领域的研究,阐释生物发生机理,对应用非排斥反映、自己修复能力的移植、再生医疗作出贡献。

 

RIKEN地域示意图

RIKEN的海外机构

 

RIKEN的大型科技设施

RIKEN在发展过程中建造了大量研究实施,包括大科学设施,并在大科学设施所在地建立起各自的研究单元开展相关科学研究,其研究机制十分灵活,甚至与其他大型研究机构异地共同建设大科学设施,例如同步辐射光源Spring8,就是RIKEN与日本原子能研究所JAERI联合在京都建造的。

·历史上的回旋加速器

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1937年建成日本第一个回旋加速器(直径65厘米)

用于核物理、核化学、生物研究

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1943年建成直径150厘米的回旋加速器(二战结束后被摧毁)

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1952年建成直径65厘米的回旋加速器

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1966年建成直径160厘米的日本第一台重离子回旋加速器,加速光离子以及各种元素的重离子,

提供了研究核物理、原子物理、固体物理、核化学、材料工程、辐射化学研究和辐射生物学的各种独特的机会。

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直径160厘米重离子回旋加速器现在RIKEN和光园区展示

 

·重离子加速器

RIKEN的重离子加速器系统由直线加速器RILAC(1980建成),回旋加速器AVF和RRC组成。

(1)重离子直线加速器RILAC

世界上第一个重离子直线加速器RILAC(RIKEN Heavy-ion Linac)1974年起开始研制,总经费为20多亿日元,1980年3月建成,4月初投入试运行。RILAC由Cockcroft-Watson型发射装置和六台维德罗型加速筒身所组合而成,可使用18-45 MHz间的高频电压加速比氖重的所有重离子。

 

 

重离子直线加速器RILAC

 

(2)重离子环形回旋加速器RRC

重离子环形回旋加速器RRC(RIKEN Ring Cyclotron)能量常数为K=540,主要用于核物理学和生物学实验。每个核子被加速的最大能量,重离子达几十兆电子伏,轻粒子达200兆电子伏。与之配合的有两台注入器:第一注入器是变频直线加速器RILAC;第二注入器是K=65的回旋加速器AVF。RRC于1987年建成。

 

重离子加速器RILAC、RRC位置示意图

ring

能量常数K=540的RRC RRC的束流传输系统

E1束线:寻找超重元素

 

E2束线(原子物理束线)与大型散射室

E3束线的2-pi计数阵列 E4束线的光谱仪SMART

E7束线(凝聚态物质研究)与 E5束线(生物学与医学研究)

E6束线:弹射碎片分离RIPS

 

(3)回旋加速器AVF

回旋加速器AVF(Azimuthally Varying Field)1989年建成,AVF的磁场强度随方位角变化,能克服经典回旋加速器的能量限制, 提高加速粒子能量,加速常数为K70 MeV。

ATF用于研究直线对撞机等未来加速器上所需的高稳定性、超平行电子束生成的实验加速器。ATF成功产生了平行度为以前的加速器约100倍的超平行电子束。称为 ATF2的计划研究在纳米水平上稳定地控制电子束的位置。这一计划、设计、建造在10个国家、27个研究机构形成的国际联合力量下进行。

 

回旋加速器AVF示意图

avf

回旋加速器AVF

 

·放射性同位素束流工厂RIBF

RIKEN将制造约4000种放射性同位素的计划称为“放射性同位素集束工厂”RIBF(RIKEN Radioactive Isotope Beam Factory),其目的是建成一个大规模的研究设施,利用强流放射性束流深入研究远离稳定线核素(奇异核)的结构、性质和反应,包括建立原子核新的统一图像,揭示元素的起源。该计划预期的成果还涉及医疗、环境、农业、工业和考古等诸多领域。

 

RIBF实验装置示意图

 

铀离子加速生成各种各样的元素,可以解开铀自身的谜,还可了解元素诞生之谜。利用以前的技术加速铀那样的重元素十分困难。RIBF使铀离子从现有加速器的离子源ECRIS中发生,用直线加速器RILAC、环形回旋加速器RRC加速后,再用RI环形回旋加速器计划中新建的3台环形回旋加速器“固定加速频率型环形回旋加速器fRC、中间段环形回旋加速器IRC、超传导环形回旋加速器SRC依次加速,成功得到了重离子束。2006年12月28日,RIBF从超导回旋加速器SRC引出了345 MeV/u的Al束流(相当于光速的70%)。铀离子的加速成功使日本在激烈的国际开发竞争中占据了先机,同时也意味着对原子核物理的根源性研究迈出了新的一步。

2006年12月31日,从电子回旋共振离子源ECR产生的铝离子经过直线加速器加速后,每个离子获得2.7兆电子伏特能量,相当于加速到光速的8%。这些离子通过碳薄膜后,失去一部分电子。此后,它们再经由两种环形回旋加速器和超导环形回旋加速器SRC进行分段式加速,最终使重离子加速到光速的70%,每个离子获得的能量达到345兆电子伏特,这表明利用多种元素制造约4000种放射性同位素的计划现实可行。用加速后的离子轰击碳等元素的原子核,就可以大量产生约4000种放射性同位素,其中约1000种是人类尚未见过的不稳定同位素。

2007年3月23日21点成功加速了铀离子。加速铀离子在日本是第一次,而且使用环形回旋加速器进行多段式加速也是世界上的首次。

投资四亿多美元的RIBF于2007年7月起向全世界同行开放。

 

固定频率回旋加速器fRC(fixed-frequency Ring Cyclotron)的扇形磁铁

ECR离子源的超导线圈

超导环形回旋加速器SRC (Superconducting Ring Cyclotron)

 

·同步光源Spring-8

RIKEN和原子力所(JAERI)1988年10月成立了联合机构,负责超高亮度X 射线同步辐射装置Spring-8的设计和建造。

详细介绍见:http://www.lssf.cas.cn/kpzt/gwzz/201103/t20110329_3096583.html

 

SP8photo

Spring-8鸟瞰

Spring-8示意图

 

利用X射线自由电子激光(XFEL)可开展对活细胞和蛋白质等物质的内部构造的详细研究。2005年,RIKEN开始在Spring-8上为800米的XFEL研制一个样机。2006年6月,全长60米的样机成功产生了49纳米波长的超紫外光(EUV)。XFEL最短波长将达0.06纳米,投资的总额375亿日元,预计需要10年才能建成。建成后与性能领先的“Spring-8”光源一起,成为日本探索微尺度世界的新“科学之眼”,以期在与欧美的激烈技术竞争中占先。

 

SPring-8上的8 GeV硬X射线自由电子激光(红色框内)

 

· RIKEN-RAL 缪介子设施

1995年,RIKEN在英国卢瑟福.阿普尔顿实验室的散裂中子源ISIS上建造了μ介子研究设施,并成立了RIKEN的RAL支所。

 

 

在ISIS实验大厅的RIKEN-RAL缪介子研究设施

RIKEN-RAL 缪介子设施示意图

 

·核磁共振装置NMR集阵

基因组决定了生物的遗传特性,但基因的遗传信息最终要通过蛋白质的功能来表达。日本在人类基因组解析方面远远落后于欧美国家,为迅速掌握蛋白质功能研究的专利,日本文部科学省2002年4月启动了名为“蛋白质3000”的大型生命科研计划,以弥补基因组研究中的差距,尽快抢占蛋白质研究的专利,促进基因药物的开发。

该计划由RIKEN和国立大学具体实施,重点设在RIKEN横滨的基因组科学研究中心,目标是在5年内解析3000种蛋白质的功能,并尽可能多地获得专利。为了实现计划目标,解析蛋白质功能的核磁共振装置NMR(Nuclear Magnetic Resonan)从20台增加至60台,与此同时,大型同步辐射光源Spring-8也作为主要的解析工具,用于分析蛋白质的立体结构。

 

在麦圈和粮仓形状的建筑里一共放置着近60台核磁共振装置NMR

NMR集阵分布示意图,右为麦圈形建筑

 

中国科学院大科学装置办公室

资料来自http://www.riken.go.jp/engn/index.html