フランスのグルノーブルに輝かしい新たな光が差し込んでおり、欧州シンクロトロン放射光施設 (ESRF) の職員は先週、完全に再建された X 線源の再開を発表しました。周囲 844 メートルのリング状の装置は、従来の装置の 100 倍、医療用 X 線の 10 兆倍の明るさの X 線ビームを生成します。強力な放射線は、個々の細胞を分解しながら臓器全体を 3 次元で画像化するなど、X 線科学に新しい展望を開く可能性があります。
「光が ESRF に戻ってきた」と、7 月 8 日のオンライン記者会見で、研究室の所長である Francesco Sette 氏は述べた。 Extremely Brilliant Source (EBS) と呼ばれる生まれ変わったシンクロトロンは、8 月下旬に一般ユーザーに公開されますが、4 月以降、研究者はその強力なビームを使用して、COVID-19 パンデミックの原因となるウイルスである SARS-CoV-2 を研究しています。そして病気が体に与える影響。また、EBS は、米国、日本、および他の 12 か国が同様のマシンを開発しているため、他の道を照らしています。
シンクロトロンは、電子などの荷電粒子を高エネルギーで光速に近づけるリング型の加速器です。濡れた雑巾を頭の上で回すと水滴が飛び散るのと同じように、電子が十分なエネルギーを持っている場合、循環する電子は X 線を含む光子を放射します。 1950 年代、科学者たちは素粒子物理実験用に作られた電子加速器から X 線を吸い上げ始めました。専用の X 線シンクロトロンが 1980 年代に続き、ウィグラーと呼ばれる磁石を使用して電子が渦巻くときに振動させ、より多くの X 線を生成させました。 1990 年代には、循環する電子をより調和的かつ効果的に揺さぶるアンジュレータと呼ばれる磁石を備えた、より優れたシンクロトロンが登場しました。
世界中で、さまざまなエネルギーの数十のシンクロトロンが、より長い紫外線波長から短い「硬」X 線までの範囲の光を発射し、化学および材料科学から地質学および美術史に至るまでの分野で年間 55,000 人以上のユーザーにサービスを提供しています。超高強度X線の爆発は、タンパク質結晶を破壊しながらも、タンパク質結晶内の原子の配置を調べることができます.これまでに生物学者が推定した 166,000 以上の 3D タンパク質構造のうち、120,000 以上がシンクロトロンで決定されました。
ESRF の X 線を明るくする秘訣は、マシンのすでに微視的な電子ビームをさらに縮小することでした、と ESRF の加速器およびソース部門のディレクターである Pantaleo Raimondi は言います。新しいマシンは、高さ 2 マイクロメートル、幅 20 マイクロメートルで、幅が古いビームの 30 分の 1 のリボン状のビームを循環させます。それを絞り込むために、ESRF の研究者は 2000 年代初頭に発明され、2016 年に起動したスウェーデンの低エネルギー MAX IV シンクロトロンで実装されたタックに従いました。
シンクロトロンでは、双極子と呼ばれる磁石が、電子が移動する管状の真空チャンバーを挟み、リングの周りの粒子の軌道を曲げる垂直磁場を提供します。双極子は、エネルギーに応じてわずかに異なる量で電子を曲げ、電子ビームを広げます。焦点を合わせ続けるために、四重極と呼ばれるより複雑な磁石が双極子の間に収まり、レンズのように機能します。しかし、電子ビームを水平方向に集束させる四重極は、電子ビームを垂直方向に広げ、その逆も同様であるため、ビームは循環しながらアコーディオンのように伸縮します。 MAX IV の物理学者は、長い双極子を多数の短い双極子とより多くの四重極に置き換えることで、これらの振動を減らすことができることに気付きました。
ただし、落とし穴がありました。クワッドはまた、エネルギーに応じて異なる方法で電子を集束させます。六極子と呼ばれるさらに複雑な磁石は、その影響を補正できます。しかし、ビームがすでに狭い場合、六極子は非効率的に機能し、スキームは最大の圧縮に達する前に失敗します。 MAX IV の研究者は、電子のエネルギーを減らすことでこの問題を回避しましたが、ESRF はそれを行うことができず、依然として硬 X 線を生成していました。 2008 年、Raimondi と同僚は、このジレンマから抜け出す方法を見つけました。電子ビームが六極子を通過するときに、電子ビームが短時間広がるように磁石のガントレットを配置することでした。
2018 年 12 月にマシンをシャットダウンした後、ESRF の作業員は 1 億 5000 万ユーロの費用をかけて、わずか 13 か月でほぼすべてのコンポーネントを交換しました。元のマシンには 32 のセグメントまたはアークのそれぞれに 2 つの長い双極子がありましたが、新しいマシンには 7 つに加えて 24 の他の磁石があります。全部で、1000 個以上の新しい磁石が、以前と同じドーナツ型のホールに設置されました。 「車のボディは同じままですが、古いモーターを取り出して、フェラーリのエンジンを搭載しました」と Raimondi 氏は言います。
再構築されたマシンは、X 線科学に質的に新しい窓を開くはずだと、ESRF の物理科学研究担当ディレクターである Harald Reichert は述べています。硬 X 線は、低エネルギー X 線よりもはるかに深く物質を透過することができ、新しい装置の強力な X 線ビームにより、最大 1 メートルの厚さのサンプルを研究することができます。そのため、科学者はエンジン ブロックをスキャンし、原子レベルに近い解像度で材料の欠陥を拡大することができた、と Reichert 氏は言います。
X 線光子は非常に小さな電子ビームから発生するため、レーザー光のように一斉に振動し、X 線ビームの波状の性質を強調します。この強化されたコヒーレンスにより、新しい ESRF はイメージングに大きな利点をもたらします。研究者がサンプルを通して X 線ビームを照射すると、材料の変化によってコヒーレント X 線の波面がさまざまな程度に遅延し、離れた検出器にまだらの強度パターンが作成されます。このような多くのパターンから、研究者はサンプルの詳細な 3D 画像を抽出できます。
たとえば、マウスの脳内の個々のニューロンとそれらの相互接続をマッピングしようとしている神経科学者は、脳を細かいスライスに切り分け、各スライスを電子顕微鏡でスキャンし、巨大なコンピューター パワーを使用してスライスをリンクする必要があります。 ESRF の透過性コヒーレント ビームにより、研究者は無傷のマウス脳で同じことをはるかに高速に実行できる可能性があります。ジョージア工科大学の計算神経科学者である Eva Dyer は、「彼らがそれを行うことができれば、コミュニティに大きな影響を与えるでしょう」と述べています。 「最高です。」
ESRF がその優位性を発揮するには数年かかります。その最も近い競争相手である、イリノイ州のアルゴンヌ国立研究所にある Advanced Photon Source (APS) は、2022 年に同様の 1 年間にわたる再構築を受ける予定である、と APS ディレクター Stephen Streiffer は述べています。 「私たちはこの 2 台のマシンを競合他社というよりも、姉妹施設と見なしています」と Streiffer 氏は言います。 「たくさんの発見があります。」
日本の理化学研究所 Spring-8 研究所とドイツの電子シンクロトロン研究所も再建を計画しており、中国は真新しい X 線施設を設計しています。
研究者はすでに ESRF の新しい機能を活用して、COVID-19 のパンデミックに立ち向かおうとしています。いくつかのプロジェクトが SARS-CoV-2 ウイルスの分子構造を研究しており、別のプロジェクトでは新しいシンクロトロンを使用して COVID-19 によって損傷を受けた肺を画像化しています、と ESRF のライフ サイエンス研究ディレクターである Jean Susini は述べています。 「実際、EBS の最初のライトは COVID-19 の研究に使用されました。」
