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ESS完成第二阶段束流调试,向首次中子产生再迈一步

ESS近日完成第二阶段“束流注入至吸收器”调试(BoD2)。这意味着该设施距离加速器全面调试完成,以及最终把质子束送入靶站、产生第一批中子的目标,又前进了一步。按照计划,ESS将为2027年初首次中子注入做准备。

2025年5月,ESS曾实现一个关键节点:质子从离子源出发,被加速到所需能量,并沿加速器隧道传输542.5米,最终抵达调谐束流吸收器。那次成功标志着加速器全面调试正式展开。此后,控制室人员、工程师、物理学家和技术人员持续检查低温模块、射频腔、功率转换器、束流诊断、冷却与控制系统等设备,确保这些复杂系统能够协同运行。

本次BoD2调试于2026年2月启动。过去四个月里,ESS团队再次把质子束送入加速器不同区段:先进入常温直线加速器,3月进入超导直线加速器;自5月初以来,质子束以800至860 MeV的能量稳定传输至调谐束流吸收器,并在那里被安全吸收。目前,ESS加速器已进入夏季停机状态,新的调试阶段将在秋季开始。

与2025年的首次目标不同,BoD2并不只是验证“束流能否到达吸收器”。现在的重点,是让加速器在逐步提高束流功率的同时,保持稳定、可靠运行。ESS加速器未来全面投入运行后,将向旋转钨靶轮输送平均功率2兆瓦的脉冲质子束。高能质子撞击重金属靶时,会通过散裂过程释放中子,这些中子随后被引导至实验站,用于材料在原子和分子尺度上的研究。

为了达到2兆瓦束流功率,团队需要同步提升并精细控制多个参数,包括束流能量、电流强度、质子脉冲长度和重复频率。调试过程中,ESS团队已将质子脉冲长度逐步增加到1.5毫秒,而2025年5月时仅为0.005毫秒;脉冲重复频率提高到14赫兹,此前为1赫兹;束流强度也提升到62.5毫安。2026年7月3日,首个1.5毫秒束流脉冲被送至束流吸收器,并记录下相应束流轮廓。

这些提升并不是简单“加大功率”。束流物理组物理学家丹尼尔·诺尔介绍,要达到800 MeV的目标能量,89个射频腔都需要精确调校。束流强度越高,束流中粒子越多,粒子之间的排斥力也会增强,因此还要调整磁体,并向束流注入更多功率。随着脉冲长度和重复频率增加,射频腔热负荷也会上升,相关控制同样必须跟上。

在加速器内部,500多台仪器负责测量和表征束流状态,包括束流强度、束流在管道中的位置以及束流损失情况。束流诊断小组的伊雷娜·多伦茨·基特尔曼和胡曼·哈桑扎德根表示,理想的束流应位于束管中心,保持在允许的空间包络内,传输过程中尽量不丢失质子,同时脉冲起止边界清晰。正是这些诊断仪器,持续为束流质量、运行效率和设备安全提供保障。


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