建造粒子加速器需要的不仅仅是一个村庄

每年，成千上万的人远道而来，一睹建筑奇观，例如奇琴伊察库库尔坎神庙的高耸台阶或德国科隆大教堂错综复杂的立面。与这些历史和文化奇迹一样，每年都有成千上万的研究人员前往美国能源部(DOE)的五个光源设施。不过，他们来这里不是为了欣赏风景，而是通过使用来自这些设施的超亮同步加速器光(主要是X射线)来推动科学的边界——从电池到制药等领域。

这盏灯不是凭空出现的。它需要由大型复杂的粒子加速器产生。而且，为了让X射线尽可能明亮，科学家和工程师们一直在努力改进它们。这个故事重点介绍了位于美国能源部布鲁克海文实验室的国家同步加速器光源II(NSLS-II)加速器部门正在进行的合作项目。

据史料记载，德国人用了600多年才建成了最初的科隆大教堂，而考古学家推测，库库尔坎神庙分两期建成至少耗时200年。在这些极其漫长的施工期间，成千上万的人在这些纪念碑上工作。这是他们与现代粒子加速器项目共享的壮举。虽然NSLS-II的初始构建只用了十年时间，但它仍然涉及来自许多学科和专业的数百人的国际努力。

从建筑设计的土木工程挑战到加速器内数百个磁铁的建造，建造一个用于同步加速器光源的粒子加速器确实需要的不仅仅是一个村庄。同样，许多现代加速器项目跨越多个机构和国家，以利用该领域的专业知识。

NSLS-II加速器部门主管TimurShaftan表示：“我们的加速器专家拥有丰富的专业知识和实践经验，他们在NSLS-II的建造过程中成功应用了这些经验。”“现在，我们正在通过与美国其他主要加速器项目的积极合作来分享这些知识，从而在全国范围内推进加速器。”

NSLS-II专家正在与其他四个DOE光源中的三个合作，以支持他们正在进行的升级。

罗马不是一天建成的

美国正在进行的两项重大光源升级是加速器技术的根本性飞跃。NSLS-II等光源使用数十亿个电子来产生X射线。在这些设施的核心，电子通过数千英尺的束管被称为束团的大群推进。

在圆形光源中，数百个磁铁将电子保持在围绕环的轨道上。这些磁铁以一种非常特殊的方式排列，称为磁晶格(当今使用的大多数晶格都是基于查斯曼-格林或双弯消色差晶格)，这使得科学家可以在环上添加额外的设备。这些称为插入装置的附加装置对于光源来说是必不可少的，因为它们可以通过放大电子的自然特性来产生特别明亮的同步加速器光束。每当电子以接近光速的速度绕过一个拐角时，它们就会发射X射线。通过使电子通过长回转路线，它们发射的X射线被放大。插入设备正是：电子激流回旋课程。

目前正在进行的加速器技术的根本性飞跃是晶格演化的下一步。最初的Chasman-Green晶格是由Brookhaven研究人员RenateChasman和GeorgeKennethGreen在1970年代为最初的NSLS开发的。查斯曼-格林晶格将光源带入了一个新时代，但当今的科学挑战需要比以往任何时候都更亮的X射线。

正如摩天大楼的混凝土或钢框架的发明让人类能够更深入地探索天空，加速器物理学和工程学的新技术发展使科学家能够创造出一种新的装置，产生更亮的X射线束。这个阵列被称为“多弯曲消色差晶格”。美国的两个光源——劳伦斯伯克利国家实验室的高级光源(ALS)和阿贡国家实验室的高级光子源(APS)——即将用新的、更明亮的粒子加速器取代旧的粒子加速器新格子。

这两个设施的重大升级需要数百个新磁铁来控制电子。NSLS-II加速器部门通过设计和监督为APS加速器复合体制造的1,352块磁体中的165块磁体的制造来支持APS升级。

“我们设计的磁铁非常通用。它们有八个磁极，这使它们能够更好地同时在多个方向上并围绕整个环稳定电子束。没有它们，电子束会沿着轨道摆动，这会弄脏X射线束。电子束越稳定，同步加速器光的质量就越好，”NSLS-II的机械工程专家SushilSharma说。

Brookhaven工程师为APS升级项目设计和制造的八极快速校正磁铁之一。这是到达阿贡用于APS升级的第1,000块磁铁。图片来源：NicholasBechtold

但磁铁并不是NSLS-II团队为APS升级而努力的唯一组件。

“我们正在为APS制定四份不同的合同，包括用于检测和管理电子束的仪器和联锁装置，以确保使用加速器工作的人员的安全。总的来说，我们很高兴支持这样一个重要的升级项目APS，”NSLS-II的诊断和仪器组组长DannyPadrazo说。

虽然NSLS-II团队没有为ALS升级(第二个主要升级项目)开发磁铁，但他们一直在研究同样重要的东西：电源。

“在过去的四年里，我们与ALS的同事合作，为ALS设计、开发、建造、测试和交付1,000个电源。仅这是一个2500万美元的项目，”NSLS-GregFries解释道。二、加速器处副处长。

NSLS-II的电气工程专家GeorgeGanetis补充说：“这些电源在功能、性能和紧凑的占地面积方面都是世界上最好的。它们非常稳定，这在您操作一个设备时非常重要。粒子加速器。”

不是你的普通建筑项目

言归正传，该团队正在与布鲁克海文的对撞机-加速器部门合作，推进实验室最新的大型项目：电子离子对撞机(EIC)。EIC将是一个两英里半长的加速器，它将使电子与质子和其他离子(原子核)发生碰撞。通过每次碰撞，科学家们将能够瞥见离子内部，以更多地了解它们的内部构件(构成质子和中子的夸克和胶子)以及将这些构件结合在一起的基本力。

当人类了解了电子的工作原理以及电磁力的细节后，我们就能够构建电路、计算机等等。通过了解在原子核中运行的基本力(强核力)，科学家们将了解最小的构件如何构成物质的质量和其他特性。这些知识可能是发现未来技术的关键。

在EIC，NSLS-II团队正在支持加速器磁格的设计。虽然EIC是一个对撞机，但它仍然使用磁铁排列来控制粒子束。该团队正在帮助并考虑扩大光束诊断、真空系统和电源的工作范围。

埃尔维斯离开大楼了吗?

随着所有这些其他加速器项目在全国各地和布鲁克海文进行，人们可能想知道NSLS-II加速器部门是否已经从NSLS-II“转移”到所有这些新机器。但事实并非如此。

“其他加速器的所有额外项目使我们能够保持我们的技能敏锐，并在我们复杂、瞬息万变的领域中不断学习最佳实践，”Fries说。

Shaftan补充说：“除了对我们的技能和项目有好处之外，所有这些项目都是为未来NSLS-II升级做准备的一个很好的热身练习。”

与APS和ALS的情况一样，NSLS-II的下一阶段可能涉及全面更换其加速器。在评估未来设施升级的路线图时，加速器部门通过积极致力于美国升级项目来保持其专业知识。这些努力为Brookhaven开发下一代光源提供了宝贵的经验。加速器部门正在努力开发一种光源，其能力超出当前全球范围内的升级范围，这些活动是实现该目标的战略的一部分。