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正在运行的革命性粒子加速器的新设施

粒子加速器 电子束 X射线
发布:2020-10-14 14:46:09     来源:SLAC国家加速器实验室

FACET-II是世界上唯一能够提供高能电子束和正电子束的设施,用于研究各种革命性的加速器技术,这些技术可以将未来的加速器缩小100到1000倍并提高其性能。图片来源:Greg Stewart / SLAC国家加速器实验室

能源部的SLAC国家加速器实验室启用了一种新设备,可以为下一代粒子对撞机和强大的光源铺平道路。作为美国能源部(DOE)的用户设施,FACET-II是世界上唯一能够提供高能电子束和正电子束的设施,用于研究各种革命性的加速器技术,这些技术可以将未来的加速器缩小100到1,000倍,并提高其加速度能力。

“粒子加速器是终极显微镜,” FACET-II项目科学家Mark Hogan说。“我们可以使用它们制造高能光束,使它们碰撞以了解最小的粒子和将宇宙保持在一起的力,或者我们可以来回摆动光束以产生强大的X射线爆发,从而使我们能够拍摄超小型,超快原子过程的照片以了解生物学和化学。FACET-II将帮助我们开发新技术,使我们能够制造更小,更便宜,更强大的机器。”

技术升级

该项目是高级加速器实验测试设施(FACET)的升级,该设施是美国能源部科学办公室的用户设施,该设施从2011年开始运营至2016年,该设施退役以为升级实验室的X射线自由电子让路。激光,直线加速器相干光源(LCLS)。FACET-II建立在FACET的成功基础上,在该研究中,科学家证明了一种称为等离子流场加速的技术可以提高电子及其反物质粒子(正电子)的能量。在这种方法中,研究人员将一束高能粒子通过热的离子化气体或等离子体发送,从而产生等离子体尾流,使尾随的束“冲浪”,在短距离内上升至极高的能量。

在传统的加速器中,粒子从金属结构内部的射频场中吸收能量。由于这些结构在分解之前只能支持有限的每距离能量获取,因此加速器需要非常长的时间才能达到更高的能量,并且建造成本很高。等离子体尾场法有可能大大缩小粒子加速器的尺寸和成本。例如,未来的等离子加速器可以在几米之内展现出与SLAC的2英里长的铜线性加速器(linac)相同的加速能力。

FACET-II使用了实验室2英里长的线性加速器的中间三分之一(顶部是SLAC地面计划)。它从电子源(左下)向实验区域(右下)发送电子束(蓝线),并以100亿电子伏特的能量到达实验区域。该设计允许增加稍后生产和加速正电子(底部,红线)的功能。图片来源:Greg Stewart / SLAC国家加速器实验室

下一代

在过去的两年中,SLAC的工作人员安装了最先进的高亮度电子源和新的电子束压缩器系统,用于产生强束。他们还升级了设施的控制系统并安装了用于分析光束特性的工具。

FACET-II会像其前身一样产生高能电子束,但质量更高。新设施使用SLAC直线加速器的三分之一(从一端将电子发送到另一端的实验区域)来产生能量为100亿电子伏特的电子束。它的设计还使研究人员能够增加产生和加速正电子的能力,这将使研究人员对等离子流场加速有更多的了解,并为基于等离子体的电子-正电子粒子对撞机的发展提供信息,这将增进我们对自然界基本粒子和力量。

霍根说:“如果要使用等离子体尾波加速器来制造高能物理的电子-正电子对撞机,我们首先需要了解如何加速等离子体中的正电子。” “ SLAC是唯一具有为这项研究提供正电子束所需基础设施的实验室。我们希望在未来几年内将这种功能联机,这将使FACET-II与世界上任何其他设施区分开。

该设施还将帮助科学家设计新一代光源,例如比以往任何时候都更明亮的X射线激光器,并导致对现有X射线激光器(例如LCLS)的改进。这些功能强大的发现机为科学家提供了不断变化的原子世界的无与伦比的视野,并开辟了从高能物理到医学的各种新途径,并为材料,生物和能源科学领域的研究提供了潜在的收益。

SLAC加速器部门的项目主管兼科学副主任Vitaly Yakimenko表示:“打开FACET-II就像打开一扇空前绝后的门。” “它将产生比以往任何时候强一百倍的电子束,并创造出全新的科学机会。”

在过去的两年中,SLAC的工作人员安装了最先进的高亮度电子源和新的电子束压缩器系统,用于产生强束。他们还升级了设施的控制系统并安装了用于分析光束特性的工具。图片提供:Jacqueline Orrell / SLAC国家加速器实验室

推动创新

作为DOE的用户设施,FACET-II每年将运行大约六个月,向约25个实验提供光束,并接待来自大学,工业界和其他国家实验室的约250名研究人员。

在接下来的几个月中,FACET-II计划咨询委员会将检查为射束时间选择的初始实验的准备情况,并审查第二轮提案,以排队等待即将到来的科学。到一月为止,团队将致力于使FACET-II的所有零件都在线化,并确保正确的能量和质量。当团队安装新的实验硬件时,用户将并行工作,以确保一切正常工作并获取正确的信号。

在有望于明年2月开始的第一个实验中,研究人员将研究保持光束质量,改善等离子体尾场加速技术以及产生和加速正电子的方法。他们还将开发Trojan Horse-II,这是对现有技术的更新,可以通过将电子“吸纳”到等离子体中来产生强电子束。

FACET-II还可以潜在地洞察新的和出乎意料的物理学,例如伽马射线爆发,电磁波的最活跃形式以及强场量子电动力学(QED),它们在极端天体物理学现象中都起着重要作用,例如宇宙射线和爆炸的恒星。

其他科学目标包括使用某些电绝缘体代替等离子体的紧凑型尾场加速器,以及将精确测量和模拟这些强大电子束的物理特性的机器学习技术,以帮助研究人员理解和控制超短束,从而提高效率和科学性。用户程序的生产力。

SLAC加速器理事会负责人Bruce Dunham说:“我们的实验室建立在加速器技术之上,并将继续推动该领域的创新。” “ FACET-II是一个开创性的设施,它将帮助我们保持在加速器科学的前沿。”

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