Бриллиантовый источник света: национальный синхротрон Великобритании

Введение

Национальный синхротронный источник света Великобритании, расположенный в Оксфордшире, – это национальный научный комплекс, использующий синхротронное излучение, расположенный на Научно-инновационном кампусе Харвелла в Оксфордшире. Его задача – генерировать интенсивные пучки света со специальными характеристиками, которые полезны во многих областях научных исследований. В частности, он может применяться для изучения структуры и свойств широкого спектра материалов, от белков (для получения информации, необходимой при разработке новых и более эффективных лекарств) и инженерных деталей (например, лопатки вентилятора авиационного двигателя) до сохранения археологических артефактов (например, флагманского корабля Генриха VIII «Мэри Роуз»). В мире существует более 50 источников синхротронного излучения. Имея энергию 3 ГэВ, Diamond является синхротроном средней энергии, в настоящее время работающим с 32 пучками света.

Проектирование, строительство и финансирование

Диамантовый синхротрон – крупнейший научный объект, финансируемый Великобританией, построенный в стране после протонного синхротрона "Нимрод", размещенного в Лаборатории Резерфорда Эпплтона в 1964 году. В непосредственной близости расположены источник нейтронов и мюонов ISIS, Центральный лазерный объект, а также лаборатории в Харвелле и Калхэме (включая проект совместного европейского термоядерного реактора JET). Он пришел на смену Синхротронному источнику излучения – синхротрону второго поколения, находившемуся в лаборатории Дарсбери в Чешире. В конце января 2007 года Diamond выдал первый пучок для пользователей, а 19 октября 2007 года был торжественно открыт королевой Елизаветой II.

Строительство

В 1990-х годах было проведено проектное исследование, которое ученые из Дарсбери завершили в 2001 году. После создания операционной компании Diamond Light Source Ltd. началось строительство. Стоимость строительства в размере 260 миллионов фунтов стерлингов включала в себя здание синхротрона, ускорители внутри него, первые семь экспериментальных установок (beamlines) и прилегающий офисный блок Diamond House.

Управление

Объект эксплуатируется компанией Diamond Light Source Ltd, совместным предприятием, основанным в марте 2002 года. Компания получает 86% финансирования от правительства Великобритании через Совет по научным и технологическим объектам (STFC) и 14% от фонда Wellcome Trust.

Качественные исследования

В сентябре 2007 года ученые из Университета Кардиффа во главе с Тимом Уэсом обнаружили, что алмазный синхротрон может использоваться для визуализации скрытого содержимого древних документов путем освещения без их открытия (проникая сквозь слои пергамента). В ноябре 2010 года данные, собранные в Diamond Imperial College London, легли в основу статьи в журнале Nature, посвященной механизмам заражения клеток человека и животных ВИЧ и другими ретровирусами. Полученные результаты могут способствовать усовершенствованию генной терапии для коррекции генетических нарушений. В июне 2011 года данные, полученные в Diamond, привели к публикации в журнале Nature статьи, подробно описывающей трехмерную структуру белка человеческого рецептора гистамина H1. Это послужило основой для разработки антигистаминных препаратов «третьего поколения», эффективных против некоторых видов аллергии без побочных эффектов. В декабре 2017 года Великобритания учредила программу Synchrotron Techniques for African Research and Technology (START) с финансированием в размере 3,7 миллиона фунтов стерлингов от UK Research and Innovation на 3 года. Целью START является предоставление доступа африканским исследователям, специализирующимся на энергетических материалах и структурной биологии. Этот шаг является важным для создания первого африканского источника синхротронного излучения. В апреле 2018 года в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences была опубликована статья, представляющая результаты сотрудничества пяти институтов, включая ученых из Diamond, которые использовали три макромолекулярные линии Diamond для изучения деталей того, как бактерия использует пластик в качестве источника энергии. Высокое разрешение полученных данных позволило исследователям определить механизм работы фермента, расщепляющего пластик ПЭТ. Впоследствии было проведено компьютерное моделирование для изучения и оптимизации этого механизма. В статье, опубликованной в Nature в 2019 году, описывается, как международная мультидисциплинарная группа разработала различные способы контроля над металлическими наночастицами, включая синтез со значительно сниженной стоимостью для использования в качестве катализаторов в производстве повседневных товаров. Исследования, проведенные в Diamond Light Source в 2020 году, помогли определить атомную структуру SARS-CoV-2, вируса, вызывающего COVID-19. В 2023 году Diamond Light Source просканировал папирусы из Геркуланума, включая свиток PHerc. Paris. 4, для облегчения неинвазивного расшифрования с использованием машинного обучения.

In September 2007, scientists from Cardiff University led by Tim Wess, found that the Diamond synchrotron could be used to see hidden content of ancient documents by illumination without opening them (penetrating layers of parchment). In November 2010 data collected at Diamond by Imperial College London formed the basis for a paper in the journal Nature advancing the understanding of how HIV and other retroviruses infect human and animal cells. The findings may enable improvements in gene therapy to correct gene malfunctions. In June 2011 data from Diamond led to an article in the journal Nature detailing the 3D structure of the human Histamine H1 receptor protein. This led to the development of 'third generation' anti histamines, drugs effective against some allergies without adverse side effects. In December 2017, UK established the Synchrotron Techniques for African Research and Technology (START) with a £3.7 million funded by the UK Research and Innovation for 3 years. START aimed to provide access to African researchers with focus on energy materials and structural biology. The step is circuital for the inception of the first African Light Source. Published in the Proceedings of the National Academy of Sciences in April 2018, a five institution collaboration including scientists from Diamond used three of Diamond's macromolecular beamlines to discover details of how a bacterium used plastic as an energy source. High resolution data allowed the researchers to determine the workings of an enzyme that degraded the plastic PET. Subsequently computational modelling was carried out to investigate and thus improve this mechanism. An article published in Nature in 2019 described how a worldwide multidisciplinary collaboration designed several ways to control metal nano particles, including synthesis at a substantially reduced cost for use as catalysts for the production of everyday goods. Research conducted at Diamond Light Source in 2020 helped determine the atomic structure of SARS‑CoV‑2, the virus responsible for COVID 19. In 2023, Diamond Light Source scanned the Herculaneum papyri including scroll PHerc. Paris. 4 to facilitate non invasive decipherment through machine learning.