全面达标!重大科技基础设施“活细胞结构与功能成像等线站工程”完成工艺测试

ON2021-12-18CATEGORY科研进展

近日,由上海科技大学负责建设的重大科技基础设施“活细胞结构与功能成像等线站工程”的生物成像实验站、表面化学实验站和超导转变边X射线探测器完成工艺测试,工艺参数均达到或超过验收指标。

在项目开工五周年之际,活细胞结构与功能成像等线站工程已全面达到验收指标。该进展是中国光源发展史上的一个里程碑,体现了上海软X射线自由电子激光装置整体性能的先进性,标志着我国在软X射线自由电子激光光束线站研制和使用方面已步入国际先进行列。


一年工作回顾

2021年,上海科技大学和中国科学院上海高等研究院的年轻团队协同攻关、共同努力,不断完善和加速调试进程。4月,开始波荡器通束调试,4月24日,实现自由电子激光放大出光。5月25日,用户波荡器束线和活细胞成像束线通过工艺测试。6月2日,自由电子激光贯通532米长的装置到达实验站。6月21日,生物成像实验站实现单脉冲相干衍射成像和快速图像重建。7月21日,超快物理实验站、分子动态成像实验站、近常压光电子能谱实验站、单脉冲三维成像装置、数据采集与分析系统和激光完成工艺测试,工艺参数均达到验收指标,部分达到设计指标。11月4日,生物成像实验站在线一次性成功验收,成像空间分辨率达到18.5nm,优于国外软X射线自由电子激光同类实验站。11月7日,TES-X射线探测器完成工艺测试,达到验收指标。11月20日,表面化学实验站完成工艺测试在项目开工五周年之际,项目全面达到技术验收指标。

作为我国首台X射线自由电子激光装置,上海软X射线自由电子激光装置由活细胞结构与功能成像等线站工程和软X射线自由电子激光用户装置共同构成,由国家发展和改革委员会与上海市政府共同出资建设。两个项目同步建设,有机衔接。该装置将与已建成的上海同步辐射光源、超强超短激光装置和在建的硬X射线自由电子激光装置等一起,在浦东张江构建具有全球影响力的光子科学设施集群和光子科学研究中心。活细胞结构与功能成像等线站工程由上海科技大学、中国科学院上海应用物理研究所、中国科学院上海高等研究院团队共同建设。项目将于2022年面向全世界开放运行。


生物成像实验站

生物成像实验站利用上海软X射线自由电子激光提供的超高亮度飞秒脉冲,结合相干衍射成像方法实现了样品辐射损伤前的无损结构成像,这对材料科学和生物学领域中真实结构和功能研究具有重要的科学意义。该实验站不仅可用于活体细胞的纳米结构成像,进一步与超分辨荧光显微镜结合,还可实现活细胞的结构与功能联合成像。

生物成像实验站工艺测试专家组由来自中国科学技术大学、中国科学院高能物理研究所、中国科学院北京综合研究中心、中国科学院上海光学精密机械研究所、中国科学院上海高等研究院及武汉大学的7位专家组成,中科院院士封东来任组长。测试结果表明,生物成像实验站实现了相干衍射成像、全息成像实验方法,多功能样品腔真空达到8.6×10-6Pa,相干衍射成像分辨率达到18.5nm。生物成像实验站是我国首个在X射线自由电子激光上进行在线调试和指标测试的实验站,一次性全面达到设计指标,远超验收指标,性能优于国外软X射线自由电子激光同类实验站。

该实验站由上海科技大学江怀东教授带领团队自主研制,副研究员范家东负责实验站的整体设计、建设与调试,副研究员佟亚军负责实验站的调试、XFEL聚焦以及波前探测器的设计与调试,工程师聂勇敢负责实验站控制系统开发、集成与测试及实验站的调试。


(a)两个金纳米球的单脉冲相干衍射图样;(b)该衍射图样的重构图像。对应的成像空间分辨率为18.5±1.0nm。


(a)单脉冲样品全息图;(b)局部放大的全息图,具有明显的相干叠加;(c)样品全息重构图像。


生物成像实验站团队合影(左起:高梓宸、佟亚军、江怀东、陈诺、范家东、肖靖铖、袁心也、栾晖、张迪菲、贺博、卫晨希、张建华)


表面化学实验站

表面化学实验站是我国首台时间分辨能力达到飞秒级别的X射线发射谱仪系统,主要用于研究化学反应的超快动力学过程。在能源、环境,以及新型材料领域,有着重要的应用。

表面化学实验站工艺测试专家组由来自中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国科学院上海高等研究院、中国科学技术大学、中国科学院高能物理研究所、北京高压科学研究中心、中国科学院上海光学精密机械研究所及中国科学院大连化学物理研究所的7位专家组成,乔山任组长。测试结果表明,表面化学实验站主腔体真空2.44×10-9mbar,光栅光谱仪能量分辨能力>1209@400.66eV,能量范围260-800eV,实验站工艺参数全部达到验收指标。表面化学实验站自主研制的X射线发射谱仪能量分辨能力和能测量范围等关键参数指标和性能达到了国际同行先进水平行列。

该实验站由上海科技大学翁祖谦教授带领团队自主研制,助理研究员孟建伟负责实验站整体实施、控制系统设计、设备安装及调试,助理研究员杨笑微负责实验站物理设计及调试,高级工程师刘鹏负责实验站机械设计及安装。


400eV能谱测试以及高斯拟合结果


谱仪能量范围的在线测试结果


表面化学实验站团队合影(左起:刘鹏、杨笑微、孟建伟、翁祖谦)


超导转变边X射线探测器

超导转变边X射线探测器(TES-X)是我国首套基于TES传感器的能谱分析系统,具备eV级别的能量分辨能力和优于70%的量子效率,同时具备超宽的能量敏感范围,将主要用于先进光源线站高度稀释样品、辐射敏感样品的元素及价态分析工作。

TES-X射线探测器工艺测试专家组由来自中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国科学院上海高等研究院及上海理工大学的4位专家组成,尤立星任组长。测试结果表明,用于500eV以下能区的小像素TES芯片获得的能量分辨为1.487eV@3.06eV(入射光子能量),探测器实用像素数目254,达到验收指标。与此同时该团队开发的用于1-20keV能量范围内的大像素TES-X射线探测器获得了7eV@8.04keV的能量分辨,该结果以青年科学评述的形式发表于《物理学报》上。

该探测器由上海科技大学探测器研制团队自主研制,副研究员张硕负责了整套探测器系统的设计、搭建及调试工作,助理研究员夏经铠负责能谱数据的采集和分析工作。


 

左图探测器单光子能谱,右图TES芯片全部256像素的显微镜照片


该团队大像素TES-X射线探测器采集的PM2.5颗粒样品能谱


TES-X射线探测器研制团队合影(左起:张硕,夏经铠)