Es gibt einen „Lichtstrahl“, der die Vergangenheit und die Zukunft erhellt | Synchrotronstrahlungsquelle in China

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Ziqian

Hersteller: China Science Expo

Ein Platz am Tisch, BEPCs schwieriger unternehmerischer Weg

Vier Generationen leben zusammen, HEPS schreibt weiterhin neue Erfolge

Seit der Entdeckung der Synchrotronstrahlung sind mehr als 70 Jahre vergangen. Auch die Einstellung der Menschen gegenüber Synchrotronstrahlung hat sich enorm verändert: Sie wurde zunächst „nicht gemocht“ und wird heute „gelobt“. Die ursprüngliche Synchrotronstrahlungsquelle wirkte „parasitär“ auf den Teilchenbeschleuniger. Es wurden Synchrotronstrahlungsforschungen auf Basis des bestehenden Teilchenbeschleunigers durchgeführt. Dies ist die sogenannte Synchrotronstrahlungslichtquelle der ersten Generation. Bei der Lichtquelle der zweiten Generation handelt es sich um eine dedizierte Synchrotronstrahlungsquelle, die nicht länger auf Teilchenbeschleuniger und Teilchenphysikforschung angewiesen ist. Die dritte Generation von Lichtquellen verwendet eine große Anzahl von Einsätzen, wodurch die Leistung der Synchrotronstrahlung verbessert wird. Derzeit befinden sich Synchrotronstrahlungsquellen in der vierten Generation.

Auch die Synchrotronstrahlung in China hat vier Generationen der Entwicklung durchlaufen. Damals, im Jahr 1977, wurde der Bau von Synchrotronstrahlungsanlagen in den nationalen Wissenschafts- und Technologieentwicklungsplan aufgenommen; Zu diesem Zeitpunkt, am 14. März 2023, emittierte Chinas Synchrotronstrahlungslichtquelle der vierten Generation – der Linearbeschleuniger High Energy Synchrotron Radiation Source (HEPS), die wichtigste nationale wissenschaftliche und technologische Infrastruktur des „13. Fünfjahresplans“ – Strahlen mit voller Energie und beschleunigte erfolgreich den ersten Elektronenstrahl. Dies ist ein weiterer wichtiger Meilenstein beim Bau des HEPS-Geräts und ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung der Synchrotronstrahlung in China. In dieser Ausgabe geht es um die Entwicklungsgeschichte der chinesischen Synchrotronstrahlungsquelle.

Im Inneren des HEPS-Linearbeschleunigertunnels

(Bildquelle: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Erste Generation: Beijing Synchrotron Radiation Facility – eine „parasitäre“ Lichtquelle am Beijing Electron-Positron Collider

Im August 1972 schrieben Zhang Wenyu und 18 andere Wissenschaftler und Techniker einen Brief an Ministerpräsident Zhou Enlai, in dem sie ihre Ansichten und Hoffnungen hinsichtlich der Entwicklung der Hochenergiephysikforschung in China zum Ausdruck brachten. Am 11. September 1972 wies Ministerpräsident Zhou Enlai in seiner Antwort an: „Diese Angelegenheit kann nicht länger aufgeschoben werden … Die Forschung im Bereich der Hochenergiephysik und die Vorforschung zu Hochenergiebeschleunigern sollten zu einem der Hauptprojekte werden, auf die sich die Akademie der Wissenschaften konzentrieren sollte.“ Im Oktober 1988 wurde am Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften der Beijing Electron-Positron Collider gebaut. Drei Jahre später, 1991, wurde auch die Beijing Synchrotron Radiation Facility (BSRF) gegründet. Die Synchrotronstrahlung wird von mehreren Punkten entlang der Tangentialrichtung abgesaugt und um den Beschleuniger herum werden entsprechende Labore errichtet.

Antwort von Premier Zhou

(Bildquelle: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Die Beijing Synchrotron Radiation Facility war zu Beginn ihrer Bauarbeiten für Nutzer geöffnet. Die Forschungsinhalte decken verschiedene Disziplinen und Bereiche ab, beispielsweise Materialwissenschaften, Festkörperphysik, Chemie, Chemieingenieurwesen, Biowissenschaften, Medizin, Geologie, Ressourcen, Umweltwissenschaften, Mikroelektronik und Mikromechanik. In den vergangenen 30 Jahren seines Bestehens hat es viele wichtige wissenschaftliche Forschungsergebnisse hervorgebracht. Eine der wichtigsten Errungenschaften besteht darin, dass sich SARS im Frühjahr 2003 rasch im ganzen Land ausbreitete und die Erforschung von Medikamenten gegen das SARS-Virus dringend erforderlich war. Im Juni 2003 baute ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Rao Zihe von der Tsinghua-Universität Ende 2002 die erste Strahlenlinie und Versuchsstation zur Erforschung von Proteinkristallstrukturen in China und entschlüsselte die Kristallstruktur der Hauptprotease des SARS-Coronavirus. Anschließend nutzten sie Experimente mit Synchrotronstrahlung, um wirksame Zielmoleküle für Medikamente zu gewinnen und so wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung von Medikamenten zur Behandlung des SARS-Virus zu gewinnen.

Als erste groß angelegte Synchrotronstrahlungsanlage, die in meinem Land gebaut und in Betrieb genommen wurde, ist die Beijing Synchrotron Radiation Facility seit mehr als 30 Jahren erfolgreich in Betrieb. Obwohl es sich um eine Synchrotronstrahlungsquelle der ersten Generation handelt, hat sich ihre Leistung nach kontinuierlichen Verbesserungen und Upgrades der der Synchrotronstrahlungsquelle der zweiten Generation angenähert. Auch heute noch liefert diese „rückwärtsgerichtete“ Lichtquelle Ergebnisse und man kann sagen, dass sie immer noch stark ist!

Schematische Darstellung der Strahllinie und der Versuchsstation der Beijing Synchrotron Radiation Facility

(Bildquelle: http://bsrf.ihep.cas.cn/keyanchengguo/nianbao/201507/P020150713624664899951.pdf)

Zweite Generation: Hefei Synchrotron Radiation Light Source – speziell für Synchrotronstrahlungsanwendungen entwickelt

Der Hauptnachteil der Synchrotronstrahlungsquelle der ersten Generation besteht darin, dass sie auf einem Teilchenbeschleuniger „parasitär“ wirkt. Die Hauptaufgabe eines Teilchenbeschleunigers besteht darin, Experimente in der Hochenergiephysik durchzuführen. Der Betrieb gemäß den Anforderungen der Synchrotronstrahlung ist nicht möglich und die tatsächliche Maschinenzeit, die für die Durchführung von Experimenten genutzt werden kann, ist stark begrenzt. Daher wird die Beijing Synchrotron Radiation Facility nur etwa drei Monate im Jahr genutzt, was bei weitem nicht den Anforderungen der wissenschaftlichen Forschung entspricht. Zu dieser Zeit wurde Chinas Synchrotronlichtquelle der zweiten Generation, die Hefei Synchrotron Radiation Source, speziell für die Anwendung von Synchrotronstrahlung entwickelt.

Tatsächlich wurden die Hefei Synchrotron Radiation Source und die Beijing Synchrotron Radiation Source im Wesentlichen zur gleichen Zeit gebaut. Sie wurden 1989 fertiggestellt und begannen, Licht auszustrahlen. Es handelt sich auch um die erste dedizierte Synchrotronstrahlungsquelle, die in meinem Land unabhängig gebaut wurde. Sein vorteilhafter Energiebereich liegt im Vakuum-Ultraviolett- und weichen Röntgenbereich. Die Energie des Elektronenstrahls beträgt bis zu 0,8 GeV und die natürliche Emittanz liegt unter 40 nm•rad (obwohl wir hoffen, dass sich alle Elektronen im Speicherring auf derselben Umlaufbahn bewegen, wird es in der Realität immer Abweichungen geben. Die meisten realen Elektronen weichen von der idealen Umlaufbahn ab, daher hat das Elektronenbündel eine bestimmte Größe und einen bestimmten Divergenzwinkel. Das Produkt dieser beiden Werte wird als „Emitter“ bezeichnet. Offensichtlich gilt: Je kleiner die Emittanz, desto konzentrierter ist das Licht und desto besser ist die Leistung der Lichtquelle).

Obwohl es sich um eine Lichtquelle der zweiten Generation handelt, wurde sie relativ früh gebaut. Wie bei der Synchrotronstrahlungsanlage in Peking reichen die Leistung und die Maschinenstunden der Synchrotronstrahlungsanlage in Hefei bei weitem nicht aus, um den Bedarf der wissenschaftlichen Forschung zu decken. Darüber hinaus ist die Energie der Hefei-Lichtquelle relativ gering und sie dient hauptsächlich der Forschung im Bereich Vakuum-Ultraviolett und weicher Röntgenstrahlen und kann keine harten Röntgenstrahlen erzeugen.

Synchrotronstrahlungshalle der Hefei-Lichtquelle

(Bildquelle: Nationales Synchrotronstrahlungslabor, Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas)

Eine Ecke des Speicherrings der Hefei Synchrotron Radiation Light Source

(Bildquelle: Nationales Synchrotronstrahlungslabor, Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas)

Die dritte Generation: Shanghai Synchrotron Radiation Light Source – eine spezielle Lichtquelle mit geringer Emission und umfangreicher Verwendung von Einsätzen

In den 1990er Jahren war die dritte Generation von Synchrotronstrahlungsquellen international auf dem Markt. Bei dieser Generation von Lichtquellen wurde in großem Umfang von Einsätzen Gebrauch gemacht – einer Reihe periodisch angeordneter Magnete mit den gleichen Nord- und Südpolen. Der Emissionsgrad der Lichtquelle war sehr gering, die Menge über einen langen Zeitraum stabil, die Helligkeit sehr hoch und auch die Qualität der Polarisation und Kohärenz hervorragend.

Im Dezember 2004 begann der Bau der Shanghai Synchrotron Radiation Light Source, die 2009 ihren Betrieb aufnahm. Es handelt sich um die erste Synchrotronstrahlungslichtquelle der dritten Generation auf dem chinesischen Festland (die Lichtquelle der dritten Generation in Taiwan, China, die Taiwan Light Source, wurde 1994 gebaut). Die Shanghai Light Source hat die Energie des Elektronenstrahls auf 3,5 GeV erhöht und gleichzeitig die Emittanz auf 4 nm•rad reduziert, was weitaus niedriger ist als bei der Hefei Light Source.

Shanghai Synchrotronstrahlungsanlage

(Bildquelle: Shanghai Zhangjiang Advanced Light Source Large Scientific Facility Cluster)

Neben der Shanghai Light Source sind auch DIAMOND in Großbritannien, SOLEIL in Frankreich, ALBA in Spanien und NSLS-II in den USA repräsentative Synchrotronstrahlungsquellen mittlerer Energie der dritten Generation.

Anfang 2020 gelang es chinesischen Forschern mithilfe der Shanghai Light Source, die hochauflösende Struktur eines Schlüsselproteins des neuen Coronavirus zu entschlüsseln.

Kristallstruktur des Komplexes zwischen dem Haupthydrolaseprotein des neuen Coronavirus und N3

(Bildquelle: Modern Physics Knowledge Magazine https://www.ccnta.cn/article/8242.html)

Die vierte Generation: Hochenergetische Synchrotronstrahlungsquelle – Helleres Licht erhellt die mikroskopische Welt

Derzeit ist weltweit die vierte Generation von Synchrotronstrahlungslichtquellen entwickelt. Diese Generation von Lichtquellen basiert auf der beugungsbegrenzten Speicherringtechnologie. Die Emittanz des Elektronenstrahls ist um 1–2 Größenordnungen niedriger als bei der vorherigen Generation und nähert sich der beugungsbegrenzten Emittanz von Röntgenstrahlen an oder erreicht diese sogar, während die durchschnittliche Helligkeit höher ist. Tatsächlich dauerte es bis etwa 2010, bis Durchbrüche in der Schlüsselphysik und -technologie des beugungsbegrenzten Speicherrings die Realisierung des beugungsbegrenzten Speicherrings ermöglichten. Sirius in Brasilien, ESRF-EBS in Europa und APS-U in den USA sind allesamt Lichtquellen der vierten Generation. Derzeit in Bearbeitung

Die in Huairou, Peking, errichtete High Energy Photon Source (HEPS) ist die Synchrotronstrahlungsquelle der vierten Generation. HEPS wurde von der Nationalen Entwicklungs- und Reformkommission genehmigt und vom Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften gebaut. Es handelt sich um eine wichtige nationale wissenschaftliche und technologische Infrastruktur im „13. Fünfjahresplan“. Alle Vorarbeiten wurden Mitte 2019 abgeschlossen, der Baubeginn erfolgte am 29. Juni. Die Bauzeit beträgt rund 6,5 Jahre, mit der Fertigstellung und Abnahme ist Ende 2025 zu rechnen.

Die High Energy Synchrotron Radiation Source (HEPS) ist eine Hochleistungs-Hochenergie-Synchrotronstrahlungsquelle mit einer Elektronenenergie von 6 GeV und einer Emittanz von kleiner oder gleich 0,06 nm·rad. Sein Hauptziel besteht darin, hochenergetische, hochhelle harte Röntgenstrahlen bereitzustellen, um den Forschungsbedarf im Zusammenhang mit der nationalen Entwicklungsstrategie zu decken. Beispielsweise ist die Forschung zu Werkstoffen für Luft- und Raumfahrttriebwerke sowie zu Nuklearmaterialien auf solche Hochleistungsröntgenstrahlen angewiesen. Gleichzeitig wird es auch eine bessere Unterstützungsplattform für die Bereiche Industrie und Grundlagenforschung bieten. Nach der Fertigstellung wird dies Chinas erste hochenergetische Synchrotronstrahlungsquelle und eine der hellsten Synchrotronstrahlungsquellen der vierten Generation der Welt sein. Es wird das Energiespektrum der vorhandenen Lichtquellen meines Landes ergänzen und von großer Bedeutung für die Verbesserung der nationalen Entwicklungsstrategie und der ursprünglichen Innovationsfähigkeiten meines Landes in den hochmodernen Bereichen der Grundlagenforschung und Hochtechnologie sein.

Hochenergetische Synchrotronstrahlungsquelle (Effektbild)

(Bildquelle: Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Am 14. März 2023 emittierte der Linearbeschleuniger High Energy Synchrotron Radiation Source (HEPS) einen Strahl mit voller Energie und beschleunigte erfolgreich den ersten Elektronenstrahl. Dies ist ein wichtiger Meilenstein für die Hochenergie-Synchrotronstrahlungsquelle!

Darüber hinaus handelt es sich bei der Hefei Advanced Light Facility (HALF), die vom National Synchrotron Radiation Laboratory der University of Science and Technology of China vorgeschlagen wurde, ebenfalls um eine Lichtquelle der vierten Generation. Ihr Konzept ist eine Speicherringlichtquelle der vierten Generation im Niedrigenergiebereich und soll 2027 fertiggestellt sein. Bis dahin wird die Hefei Advanced Light Source zu einer beugungsbegrenzten Lichtquelle mit höchster Helligkeit und räumlicher Kohärenz im gesamten Strahlungsspektrum. Gleichzeitig werden wir, aufbauend auf der Hefei Advanced Light Source, den Bau fortschrittlicher Freie-Elektronen-Laser mit niedriger Energie und der weltweit einzigen Terahertz-Speicherringlichtquelle ausweiten und so gemeinsam den Cluster „Hefei Advanced Light Source“ bilden und zum weltweit fortschrittlichsten Lichtquellenzentrum im Niedrigenergiebereich werden. Es wird Wissenschaftlern aus dem In- und Ausland offen stehen und eine öffentliche Plattform für Spitzenforschung in den Bereichen Quanteninformation, Energie und Umwelt sowie Biowissenschaften bieten.

Hefei Advanced Light Source-Renderings

(Bildquelle: Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas)

Von der Beijing Synchrotron Radiation Facility, die „parasitär“ auf dem Beijing Electron-Positron Collider wirkt, bis hin zur weltweit führenden Hochenergie-Synchrotronstrahlungsquelle hat China auf dem Gebiet der Synchrotronquellen außergewöhnliche 30 Jahre hinter sich. Als erste Lichtquelle ist die Beijing Synchrotron Radiation Facility noch immer in Betrieb; und als neueste Lichtquelle ist die Hochenergie-Synchrotronstrahlungsquelle nur der Anfang. Wir freuen uns auf weitere wissenschaftliche Entwicklungen!