ダイヤモンド光源

Diamond Light Source （またはDiamond ）は、オックスフォードシャーのHarwell Science and Innovation Campusにある英国の国立シンクロトロン光源科学施設です。その目的は、特別な特性が科学研究の多くの分野で役立つ強力な光線を生成することです。特に、タンパク質（新しいより優れた薬剤の設計のための情報を提供するため）、エンジニアリングコンポーネント（航空エンジンのファンブレードなど）から保存まで、幅広い材料の構造と特性の調査に使用できます。考古学的な遺物（たとえば、ヘンリー8世の旗艦メアリーローズ）。

世界中に50以上の光源があります。 3 GeVのエネルギーを備えたダイアモンドは、現在32のビームラインで動作する中エネルギーシンクロトロンです。

設計、建設、財務

ダイヤモンドシンクロトロンは、1964年にラザフォードアップルトン研究所に設置されたNimrod陽子シンクロトロン以来、英国で建設される英国最大の科学施設です。近くの施設には、ISIS中性子およびミューオンソース、中央レーザー施設、 HarwellおよびCulhamの研究所（Joint European Torus（JET）プロジェクトを含む）。チェシャーのダーズベリーにある第二世代のシンクロトロンに取って代わりました。

1990年代の初期の作業の後、2001年にDaresbury Laboratoryの科学者によって最終設計研究が完了しました。工事はその後、DIAMOND光源株式会社名DIAMONDは、もともとマイク・プール（DIAMONDプロジェクトの創始者）によって考案された事業会社の作成を次のように始まり、Nのための頭字語の意味DIポールA ND M ultipole Oの utputように立っていましたD aresburyのation。現在、場所はダーズベリーではなくオックスフォードシャーであるため、名前はシンクロトロン光が硬い（電磁スペクトルの「硬い」X線領域を指す）と明るいことを反映しています。

ダイヤモンドは2007年1月末に最初のユーザービームを生成し、2007年10月19日にクイーンエリザベス2世によって正式に開設されました。

この施設は、2002年3月に設立された合弁会社であるDiamond Light Source Ltdによって運営されています。同社は、その資金の86％を英国政府から（STFC経由）、Welcome Trustから14％受け取ります。ダイアモンドの建設には260百万ポンドがかかり、シンクロトロンビルディング、その内部の加速器、最初の7つの実験ステーション（ビームライン）、および隣接するオフィスブロックのダイヤモンドハウスのコストをカバーしました。建物とシンクロトロンホールの建設は、Costain Ltd.

シンクロトロン

ダイヤモンドは、X線から遠赤外線までの波長のシンクロトロン光を生成します。これはシンクロトロン放射とも呼ばれ、光の速度に近い距離を移動する荷電粒子から放出される電磁放射です。多種多様な実験で、さまざまなタイプの物質の構造と挙動を研究するために使用されます。

ダイヤモンドが使用する粒子は、561.6 mの円周ストレージリングの周りを3 GeVのエネルギーで移動する電子です。ストレージリングは真円ではなく、曲げ磁石（双極子磁石）で角度が付けられた48面の直線断面の多角形です。リングの周りの電子を誘導する曲げ磁石からの磁気プル。ダイヤモンドは第三世代の光源であるため、挿入デバイスと呼ばれる磁石の特別な配列を使用します。挿入デバイスは電子を波状にし、方向を急に変えることにより、電子が電磁放射の非常に明るいビームを放出します。これは、曲げ磁石を通過するときの単一の曲げのビームよりも明るくなります。これは実験に使用されるシンクロトロン光です。ただし、一部のビームラインでは、挿入デバイスを使用せずに、曲げ磁石からの光のみを使用します。

電子は、3 GeVストレージリングに注入される前に、一連の事前加速器ステージを介してこの高エネルギーに到達します。

電子銃– 90 keV
100 MeV線形加速器
100 MeV – 3 GeVブースターシンクロトロン（周囲158 m）。

ダイアモンドシンクロトロンは、周囲738 mの銀のトロイダルビルに収容され、43,300平方メートルを超えるエリア、または6サッカーピッチ以上のエリアをカバーしています。これには、ストレージリングと多数のビームラインが含まれ、リニアアクセラレータとブースターシンクロトロンがリングの中央に収容されています。これらのビームラインは、シンクロトロン光と物質の相互作用が研究目的で使用される実験ステーションです。 2007年にダイアモンドが運用可能になったとき、7つのビームラインが利用可能でしたが、建設が進むにつれてさらに多くのビームラインがオンラインになりました。 2019年4月現在、32のビームラインが稼働中です。ダイヤモンドは、最終的に約33のビームラインをホストし、生命科学、物理科学、環境科学をサポートすることを目的としています。

ダイアモンドには11の電子顕微鏡もあります。9つはライフサイエンスに特化した低温電子顕微鏡で、そのうち2つはThermo Fisher Scientificとのパートナーシップで提供されています。残りの2つの顕微鏡は、先端材料の研究専用です。生命科学専用の9台の電子顕微鏡は、英国の国立施設である電子生物イメージングセンター（eBIC）の一部であり、低温電子顕微鏡の分野で機器と専門知識を提供しています。 eBICは、2018年9月にノーベル賞受賞者のリチャードヘンダーソンによって開設されましたが、2015年に運用を開始しました。この施設で利用できる実験技術には、生体高分子の単一粒子分析、細胞トモグラフィー、電子結晶学、低温集束イオンビーム走査電子顕微鏡が含まれます。電子物理科学イメージングセンター（ePSIC）は、2017年に開設された収差補正透過型電子顕微鏡の国立センターです。ジョンソンマッセイとオックスフォード大学とのコラボレーションにより、2つの透過型電子顕微鏡がダイヤモンドに収容されています。

ビームライン

Diamondは、7つのビームラインで運用を開始しました。

激しい温度と圧力の下で材料を研究するための極限条件ビームライン（I15）。
原子レベルで材料の電子的および磁気的性質を調べるための材料および磁気ビームライン（I16）。
タンパク質を含む複雑な生体試料の構造を理解するための3つの高分子結晶学ビームライン（I02、I03およびI04）。
月の岩や地質サンプルなどの複雑な材料の化学組成をマッピングできるマイクロフォーカス分光ビームライン（I18）。
数百万分の1ミリメートルで構造とデバイスをイメージングできるナノサイエンスビームライン（I06）。

それ以降、さらにビームラインが追加およびアップグレードされ、32のビームラインで動作するようになりました。さらにビームラインは、2020年半ばに最初の研究者を迎えます。

122-生体、ポリマー、コロイドなどの大きくて複雑な構造を研究するための非結晶性回折学際ビームライン。
B16-光学、検出器、および研究技術の新しい開発をテストするために、曲げ磁石でビームラインをテストします。
I19-新しい触媒や「スマート」電子材料などの小分子結晶材料の構造を決定するための小分子単結晶回折高強度ビームライン。
I11-高温半導体やフラーレンなどの複雑な材料の構造の調査に特化した高分解能粉末回折ビームライン。
I24-生体内の大きな高分子の構造とその機能の関係を研究するためのマイクロフォーカス高分子結晶学ビームライン。
B23-生命科学と化学用の円偏光二色性ビームライン。タンパク質、核酸、キラル分子などの材料の構造的、機能的、動的相互作用を観察できます。
I12-ジョイントエンジニアリング、環境および処理（JEEP）ビームラインは、実際の条件下でのエンジニアリングコンポーネントおよび材料の高エネルギー回折およびイメージングのための多目的施設を提供します。
104-1-固定された波長の単色MXステーションは、1年目の高分子結晶学ビームラインの1つとストレートI04を共有し、固定エネルギー光を使用してタンパク質複合体の構造を調べる独立したステーション。
I20-X線分光法（XAS-3）ビームライン。化学反応を研究し、基礎科学をサポートするための物理的および電子的構造を決定するための多目的なX線分光計を含みます。
I07-半導体や生物膜を含むさまざまな環境条件下での表面および界面の構造を調査するための表面および界面の高解像度回折ビームライン。
B18-活性成分の局所構造および電子状態を含むX線吸収分光法の幅広いアプリケーションをサポートするコアEXAFS、および流体、結晶および非結晶（アモルファス相およびコロイド）固体、表面を含む材料の研究および生体材料。
B22-新しいレベルの感度と空間分解能をもたらす化学構造を決定する強力で汎用性の高い方法としての赤外顕微分光法。その後、幅広い生命科学と物理科学に影響を与えます。
I10-軟X線共鳴散乱（反射と回折）およびX線吸収を使用した磁気二色性および磁気構造の研究のための高度な二色性実験（BLADE）のビームライン。分光特性と新しいナノ構造システムの磁気秩序。
I13-マイクロおよびナノオブジェクトの構造を研究するためのX線イメージングおよびコヒーレンス。情報は、直接空間で取得されるか、逆空間で記録されたデータを反転（回折）することで取得されます。動的研究は、X線光子相関分光法（XPCS）およびピンホールベースの超小角散乱（USAXS）を使用して、さまざまな時間スケールおよび長さスケールで実行されます。
I09-表面および界面構造解析（SISA）は、同じサンプル領域に焦点を絞った低エネルギーおよび高エネルギービームを組み合わせ、表面および界面の構造決定、ならびにナノ構造、生物学的および複合材料研究の進歩を達成します。。

I05-角度分解光電子分光法（ARPES）。このビームラインは、角度分解光電子分光法による電子構造の研究専用施設です。
I08-軟X線顕微鏡検査には、材料科学、地球科学および環境科学、生物科学および生物医学科学、文化遺産の科学的側面など、さまざまな用途があります。
B21-高スループット小角X線散乱（SAXS）ビームラインは、非結晶性でランダムに配向した粒子の研究専用です。 SAXSの測定値は、あらゆる物理的状態のあらゆるタイプのサンプルに対して決定できます。
I23-長波長高分子結晶学は、天然タンパク質またはRNA / DNA結晶に存在する硫黄またはリンからの小さな異常信号を利用して、結晶相の問題を解決するためのユニークな施設です。
B24-生物学用フルフィールド低温透過X線顕微鏡は、生体細胞のイメージングに関連する要件を中心に設計されています。
I14-ハードX線ナノプローブビームライン。 I14は、X線蛍光と回折技術を使用して、広範囲の材料の構造と組成を決定する走査プローブビームラインです。
I21-非弾性X線散乱（IXS）。このビームラインは、サンプルの磁気、電子、および格子力学を調査するために、非常にやる気があり、焦点を合わせられた調整可能なX線を生成します。
B07-VERSOX：汎用性の高い軟X線ビームラインは、気相反応条件下での触媒の研究用、または大気科学分野のネイティブ条件でのサンプルの研究用に設計されています。現在、B07は、大気圧環境での高スループットX線光電子分光法（XPS）測定および近端拡張X線吸収微細構造（NEXAFS）分光測定を可能にするために、2番目のブランチを設置するプロセスにあります。
I15-1 X線ペア散乱分布関数
VMXm-多彩な高分子結晶学マイクロ。このビームラインは、大きな結晶を生成するのが困難であるか、弱い回折に悩まされている原子構造決定を実行します。
VMXi-その場での多用途高分子結晶学は、その場での結晶化実験から直接データを収集することに専念する種類の最初のビームラインです。数千のユーザー結晶化実験を保存する機能を備えた高度に自動化されたビームラインであり、サンプルストレージとビームライン間の自動転送、および高度に自動化されたデータ収集と分析を特長としています。
DIAD-デュアルイメージングおよび回折ビームラインは、0.1秒の切り替え時間と同期して適用される2つのX線顕微鏡技術を提供する最初の製品となります。ビームラインの最初のユーザーは2020年に予定されています。

ケーススタディ

2007年9月13日、ティムウェス教授率いるカーディフ大学の科学者は、ダイヤモンドシンクロトロンを使用して、古代文書の隠されたコンテンツを照明なしで（羊皮紙の層を貫通する）発見できることを発見しました。
2010年11月、Journal Natureは、Imperial College Londonの科学者Goedele Maertens、Stephen Hare、およびPeter Cherepanovがダイヤモンドで収集したデータを使用して、HIVおよびその他のレトロウイルスがヒトまたは動物の細胞に感染する方法の理解を進める方法を詳述した記事を公開しました。この発見により、遺伝子治療を改善して遺伝子の機能不全を修正できる可能性があります。
2011年6月、So田教授が率いる国際的な科学者チームは、ダイアモンドを使用してヒトヒスタミンH1受容体タンパク質の複雑な3D構造をうまく解決した方法を詳述した記事をNature誌に掲載しました。彼らの発見は、「第三世代」の抗ヒスタミン剤の開発への道を開きます。これは、有害な副作用を引き起こすことなく、さまざまなアレルギーに対して効果的な特定の薬剤です。
2018年4月の米国科学アカデミー論文集で発表された、ダイヤモンドの科学者を含む5つの機関の共同研究は、ダイヤモンドの3つの高分子ビームライン（I03、I04、およびI23）を使用して、細菌がエネルギーとしてプラスチックを使用する能力を発見しました。 Diamondで得られた高解像度データにより、研究者はプラスチック（PET）をつかむ酵素の働きを決定することができ、その後、このメカニズムを調査して改善するために計算モデリングを実行することができました。
Nature in 2019では、世界的な科学的協力が金属ナノ粒子を制御するための簡単な方法のコレクションを作成し、日常品の生産のための触媒を製造するコストを大幅に削減できることが発表されました。この研究は学際的に行われましたチームとB18の使用が含まれます。