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费米实验室见证了下一代加速器组件的创纪录性能

多年来,美国能源部的三个国家实验室一直在合作,以进一步改进最先进的粒子加速器技术。在费米国家加速器实验室建造的原型机的首次测试表明,这项努力已经得到了回报,并创下了新的组件设置记录。

正在开发的技术被称为超导射频低温模块,这是一种可以有效加速粒子的高科技设备。它是现代粒子加速器和 X 射线激光器的关键组成部分。在美国能源部科学办公室、费米实验室、托马斯杰斐逊国家设施和 SLAC 美国国家加速器实验室的支持下,所有这些都汇集了他们的专业知识,用于低温模块的研究和开发,这些模块将增强 SLAC 的 X 射线激光器,即直线加速器相干光源(LCLS)。


在插入低温模块真空容器之前组装 vCM 冷质量。照片:APS-TD工艺工程组

LCLS 产生非常明亮的 X 射线束,用于让研究人员深入了解细胞、材料和生化途径的原子结构。目前正在将LCLS升级为LCLS-II。目前正在开发的低温模块将成为未来高能更新的一部分,称为 LCLS-II-HE,它将实现更精确的原子 X 射线映射。

例如,生物医学和材料科学领域的研究人员可以使用 LCLS-II 和 LCLS-II-HE 来研究能量如何在小分子和生化系统中流动;光如何穿透合成材料并与之相互作用;以及材料在极端环境中的表现。重要的是,科学家们还可以使用 LCLS 技术来研究电场的特性以及压力和磁性等因素如何控制粒子相互作用。


悬臂夹具中的 vCM,用于将冷物质插入真空容器。照片:APS-TD工艺工程组

为了产生 X 射线,LCLS-II 使用超导射频技术加速电子。在达到接近光速后,电子穿过一系列称为波荡器的磁铁,这迫使它们沿着锯齿形路径行进,并以 X 射线的形式释放能量,然后用于研究。

从原型到生产

LCLS-II 的高能升级是对看似不可能完成的任务的解决方案。研究人员希望将 X 射线激光的能量增加一倍,但升级必须挤在现有加速器和另一个实验之间的一个相对较小的区域内。当前最先进的技术需要太多的空间——因此团队必须发明一种方法将更多的粒子冲击装入他们的设备中。

加速器专家通过多种方式改进了低温模块。他们使用一种称为“氮掺杂”的过程来优化超导加速器腔壁的分子组成,这些组件是加速粒子束的组件。他们还开发了组装和完成组件的新程序。提高清洁度可减少表面任何污染(包括错误的灰尘颗粒)造成的不良影响。

“我们从 LCLS-II 经验中取得的成功开始启动 LCLS-II-HE。我们将利用我们的成功以及我们不想要的结果,并将吸取的教训应用于 LCLS-II-HE。”

费米实验室的原型是“验证低温模块”。这证明设计按预期工作,改进后的低温模块将成功安装在有限的空间中,并且可以开始最终生产。这是未来几年升级的良好开端,将需要 24 个新的低温模块:13 个在费米实验室生产,11 个在杰斐逊实验室生产。研究人员改进了远远超出当前规格的低温模块,新设备将使 LCLS-II 的性能提高 30%。

“从结构上讲,如果您从外部观察低温模块,您将无法分辨其中的区别,”杰斐逊实验室高级团队负责人约翰霍根说。“但如果我们能够在整个生产过程中保持这种测试性能,它将为机器提供更多能量。”


MP9 半导体级洁净室中的 vCM 腔体组装。照片:APS-TD工艺工程组

专家们关注质量因数,称为 Q0,它衡量低温模块的效率——基本上,它产生了多少多余的热量。超导腔产生的热量比由铜制成的普通导电腔少约 10,000 倍。但它们必须保持在低温下(通常大约 2 开尔文,或负 456 华氏度),需要低温植物。为了保持合理的低温要求,许多加速器以“脉冲模式”运行,脉冲之间有暂停以减少低温负载。氮掺杂过程极大地提高了 Q0,以至于 LCLS-II 中的低温模块可以在全倾斜状态下运行而不会停止,这种特性称为“连续波模式”。

验证低温模块在这种连续模式下创下了记录;通过模块的电子的能量将增加令人难以置信的 2 亿电子伏特。单个低温模块内的快速加速将使高能 LCLS-II 能够在更短的距离内达到更高的能量,同时使用更少的低温模块。该团队还能够保持高质量因素,这意味着以最小的多余热量实现更快的加速。

费米实验室高级团队负责人塔格.阿尔肯表示,高能升级的主要重点是质量和性能,建立在实验室合作经验的基础上。“对于 LCLS-II,我们设计了;我们采购了零件;我们将零件组装成低温模块;我们测试了低温模块;然后我们成功地将它们交付给了 SLAC,”阿尔肯说。“我们从 LCLS-II 经验中取得的成功开始启动 LCLS-II-HE。我们将利用我们的成功以及我们不想要的结果,并将吸取的教训应用于 LCLS-II-HE。”

杰斐逊实验室和费米实验室目前正在组装所需的低温模块,预计将于 2024 年完成。这些设备将被运往 SLAC 并储存起来,直到科学家准备好将它们移到 LCLS-II 加速器链末端的位置。


费米实验室低温模块测试设施中的 vCM。照片:APS-TD工艺工程组

一旦 SLAC 的团队安装并调试了 LCLS-II-HE,从生物医学科学和分子物理学到可再生能源的各个领域的研究人员都会发现该设施很有用。

“LCLS-II-HE 将为科学界提供更高的 X 射线能量和更好的工具和能力,”SLAC 的 LCLS-II-HE 项目主管格雷.海斯说。“随着热负荷降低而增加的梯度将使所需的液氦制冷装置的数量减少一半,并缩短整个加速器的长度,使其能量增加一倍以上,使其仅长 50%。”

低温模块制造、安装和操作方面的进步也将有助于未来大大小小的粒子加速器。许多粒子加速器使用与 LCLS-II 相同的超导射频技术来加速粒子,因此应用 LCLS-II-HE 升级的工程原理将允许其他研究团队创建高性能加速器低温模块,产生很少的多余热量和可以高效运行。

“更高的梯度性能和更低的发热将极大地改进未来的粒子加速器,”海斯说。“它转化为更低的建设和运营成本。”

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