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费米实验室的下一代粒子加速器项目大获进展

2021-07-23 10:09     来源:Fermilab     费米国家加速器实验室粒子加速器
美国能源部费米实验室备受期待的粒子加速器项目距离成为现实又近了一步。今年春天,在疫情下,测试在 PIP-II 注射器测试设施(PIP2IT) 结束。这一成功结果为建造新的粒子加速器铺平了道路,该加速器将为破纪录的中微子束提供动力,并在未来 50 年内推动费米实验室的广泛物理研究计划。

这一壮举是由一群专门的科学家、技术人员和工程师组成的质子改进计划-II(PIP-II)八年多来工作的成果。

费米实验室 PIP-II 项目总监 Lia Merminga 说:“首先,我对整个团队如何在疫情期间团结在一起并在如此不利的情况下取得如此大的成就感到非常自豪。”

2020 年 2 月,PIP-II 工程师 Lidija Kokoska(左)和项目总监 Lia Merminga 站在 PIP-II 测试注射器设施中。2021 年春季,PIP-II 团队成功完成了新型粒子加速器前端的测试。照片:Al Johnson,费米实验室

下一代加速器的原型设计

一旦完成,PIP-II 将成为世界上能量最高、功率最高的线性粒子加速器之一。这是美国第一个具有重大国际贡献的加速器项目,合作机构遍布法国、印度、意大利、波兰和英国。

PIP-II 将为国际粒子物理学界提供世界一流的科学设施,使利用中微子、μ 子和质子进行以发现为重点的研究成为可能。它将为国际深层地下中微子实验以及费米实验室的许多其他粒子物理实验提供动力,这些实验旨在改变我们对宇宙的理解。在此过程中,它加强了基础科学进步与技术创新之间的联系。

PIP-II 加速器将有 215 米长,可将粒子推进至光速的 84%。它将具有以稳定流或脉冲模式传送粒子束的独特能力。该机器将包括 23 个低温模块——容纳和冷却被称为超导腔的结构的大型容器。这些空腔将提供 PIP-II 中的大部分粒子加速。

PIP-II 雄心勃勃的规范伴随着许多技术挑战。例如,PIP-II 将具有五种不同类型的超导腔。每种类型都需要单独进行原型设计和测试。

“国际社会首次遇到了 PIP-II 设计中嵌入的一些功能,因此需要进行深入的开发和技术验证,”梅明加说。“由于 PIP-II 由来自世界各地的组件构建而成,因此确保所有这些系统无缝集成至关重要。”

PIP2IT 的构思、构建和运行是作为 PIP-II 前端的概念验证。它包括粒子源和大约 30 米长的第一部分。

“我们想要建造它,因为它是 PIP-II 中最复杂的部分之一,”PIP-II 项目科学家兼调试经理 Eduard Pozdeyev 说。“PIP2IT 背后的主要想法是对主加速器的关键系统进行原型设计。”

成功的两个阶段

PIP2IT 的构建和测试分两个阶段进行。第一阶段于 2013 年开始,重点是构建机器的室温部分。这包括三部分:产生氢离子的离子源;由美国能源部伯克利实验室设计和制造的射频四极杆模块或 RFQ,用于聚焦和加速粒子束;以及用于将束流传送到加速器的超导部分的传输线。

该团队随后从 2016 年到 2018 年进行了第一阶段测试。测试以产生达到 210 万电子伏特能量目标的光束结束。所有室温组件的成功测试是进入项目下一阶段所必需的关键步骤。

“离子源以 30,000 电子伏特输出这些 H 负离子,这与老式阴极射线管电视过去产生的能量相当,”费米实验室工程师柯蒂斯·巴菲斯 (Curtis Baffes) 说,他是 PIP-II 的直线加速器安装经理。“然后 RFQ 需要高达 210 万电子伏特——这是一个非常显着的能量增加。”

在 2019 年开始的第二阶段,PIP2IT 团队安装并测试了机器冷段的第一部分,该部分使用了超导射频技术。他们安装了两个称为 HWR 的低温模块,由 DOE 的阿贡国家实验室提供,以及由费米实验室设计和建造的 SSR1。

SSR1 还集成了一项称为strongback技术的新功能 。通常,技术人员将低温模块内的空腔相互连接起来。强固技术将空腔连接到一个公共框架。这减少了振动并使对准和组装更容易。

达成所有目标

巴菲斯说,用液氦冷却这两个低温模块,然后证明它们可以加速光束是“一项重大成就”。“当这两个低温模块冷却、通电和验证时,它们分别是重要的里程碑。然后最后一个里程碑是将所有东西放在一起并用粒子束进行操作。”

PIP-II 团队冷却并成功操作两个低温模块,包括这个 SSR1 低温模块,将粒子加速到 1650 万电子伏特的束能量。照片:汤姆尼科尔,费米实验室

尽管疫情泛滥,PIP2IT 团队还是为费米实验室管理了几项新颖的壮举。这包括使用超导技术首次加速质子束;在SSR1,完全开发并在内部构建第一cryomodule完成; 以及采用新型强力背胶技术。PIP-II 的国际合作伙伴印度 Bhabha 原子研究中心提供了一个 SSR1 腔,满足该组件的严格规范。BARC 还提供了射频功率放大器,为 SSR1 低温模块供电并成功启用 PIP2IT 中的光束加速。

测试加速器达到了团队的目标。该机器达到了长基线中微子设施所需的光束参数,这将为深地下中微子实验生成中微子。PIP2IT 实现了 1650 万电子伏特的束能量、2 毫安的电流、550 微秒长的脉冲和 20 赫兹的重复频率。它还展示了国家和国际合作伙伴交付成果的无缝整合。

将 PIP2IT 的许多部分组合在一起并确保它们满足所有操作要求并非易事。Pozdeyev 说,这是一个经过专门团队多年艰苦努力的过程。“一旦我们展示了整个复杂系统的运行情况,我们就松了一口气。”

除了该项目带来的技术挑战之外,在大流行期间工作还带来了额外的障碍。在重新开始之前,PIP2IT 团队不得不暂时停止活动并采取所有必要的预防措施——例如设置有机玻璃屏障和建立严格的社交距离规则。

“我们实现了所有主要目标和里程碑,即使遇到了所有这些困难,”PIP-II 暖前端经理莱昂内尔·普罗斯特 (Lionel Prost) 说。“很高兴我们能够在那个时候做到这一点。”

测试新功能:光束斩波和人工智能

PIP2IT 团队还为 PIP-II 测试了一项新技术:逐束斩波。

加速器通常成束地推进和输送粒子——每个粒子都包含数万亿个粒子——相隔仅几纳秒。PIP2IT 中所谓的斩波器系统使操作员能够以受控的时间间隔喷射粒子束。这使机器能够提供满足给定实验需求的独特光束模式。

“这种斩波系统的一个特殊之处在于,它应该能够接收来自 RFQ 的任何束,并能够将它们踢到吸收器或让它们通过,”普罗斯特说。“这是一项棘手且困难的技术成就,因为这项技术在其他任何地方都不存在。”

该团队还展示了人工智能在 PIP2IT 中的实施。他们使用机器学习算法来对齐冷冻模块内的光束轨迹。最终目标是在 PIP-II 及以后更广泛地使用此类 AI/ML 技术。

“最终愿景是自动加速器,”默明加说。“一位科学家进来,拨入他们想要进行实验的光束参数,然后软件会调整机器以提供它们。最少甚至没有人为干预。”

新的开始

PIP2IT 于 4 月完成了最后一次运行。现在,该团队正在拆卸机器。他们将储存低温模块和其他组件,直到PIP-II 大楼的建设完成。

此渲染图显示了将在费米实验室安装新 PIP-II 粒子加速器的建筑物。本图顶部显示的冷冻设备大楼的建设正在进行中。16 层高的威尔逊厅在右下角部分可见。插图:费米实验室

同时,项目团队将把目前装有 PIP2IT 的洞穴改造成 PIP-II 低温模块测试设施。在安装之前,PIP-II 的 23 个低温模块中的每一个都需要冷却到低温并进行测试。

PIP2IT 是一次重要的学习经历。该项目为团队提供了有关机器复杂组件(如低温模块)操作的重要课程。它还展示了集成众多系统所必需的协调。

“所有这些经验教训都将用于改进、更新、修改和测试 PIP-II 的设计,”Pozdeyev 说。“当您开始调试新机器时,有时您不知道会发生什么。从 PIP2IT 获得的测试结果显着降低了未来运营的风险。”

虽然 PIP2IT 现已完成,但 PIP-II 的旅程仍在继续。

“证明 PIP-II 的前端可以满足其要求无疑是该项目的一个重要里程碑,”Baffes 说。“但这绝对不是故事的结局。”

费米实验室得到美国能源部科学办公室的支持。科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者,正在努力应对我们这个时代一些最紧迫的挑战。如需更多信息,请访问 science.energy.gov。

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