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费米为世界上最强大的激光器制造超导粒子加速器组件

费米实验室 SLAC 超导粒子加速器 直线加速器
发布:2021-03-25 15:24:53     来源:中国同位素与辐射行业协会

今天,美国能源部的费米实验室在能源部的SLAC国家加速器实验室装运了用于直线加速器相干光源II(LCLS-II)的新型粒子加速器的最后一个超导元件。

低温组件是直线加速器的主要部件,是LCLS-II项目所需的最后一个组件,该项目建成后将成为世界上最亮的X射线激光器。

"这是我们六年来一直努力的目标。自2014年以来,我们的团队一直在设计、建造、测试和交付高性能的超导冷冻舱,这些超导冷冻舱将构成这台最前沿的发现机器,"LCLS-II费米高级团队负责人里奇·施塔内克(Rich Stanek)说。"今天送走它是我们贡献努力的结尾。我们很荣幸能够成为LCLS-II的一部分,利用我们在超导加速技术方面的专业知识为世界一流的X射线激光器的粒子束提供动力。与LCLS-II项目有关的每个人都应该为自己的成就感到非常自豪。”

SLAC的LCLS是世界上第一台硬X射线自由电子激光器,LCLS-II的升级将使其性能有一个巨大的飞跃。它将每秒发射100万个惊人的X射线脉冲,高于LCLS每秒120个脉冲。有了这些快速的射线,使用LCLS-II的科学家们将能够实时和非常详细地研究微观的生物和化学过程。

为LCLS-II激光器提供高能电子的粒子加速器将由37个低温组件组成,其中最长的12米(40英尺)长。它们像火车的车厢一样排列在一起,形成了一种电子束能量上升时的跑道。其中18个低温组件来自费米实验室,19个来自美国能源部杰斐逊实验室。两个实验室都提供了额外的备件。

一旦电子束离开低温组件,它就会通过一系列的波动器快速地从一侧移动到另一侧,在曲折移动时发出X射线。新的波荡器是由美国能源部的劳伦斯伯克利国家实验室和阿贡国家实验室设计和建造的。康奈尔大学也在为LCLS-II提供组件。

LCLS-II低温组件的安装预计将于今年春天完成,一旦LCLS-II低温设备调试完成,LCLS-II将于2022年开始调试。LCLS-II得到了能源部科学办公室的支持。

SLAC副主任和LCLS-II项目主任诺伯特·霍尔特坎普说:“LCLS-II低温组件的设计和建造是真正跨机构合作的一个

例子,汇集了三个国家实验室在粒子加速、超导科学和光子科学方面的专业知识和能力。”“我们期待着欢迎最后一个低温组件来到SLAC。”


 
 费米的低温模块长12米(39英尺),将于2021年3月19日开始运输到SLAC。照片:Ryan Postel,费米实验室

每一个低温模块都有八个超导加速器腔,这些中空的结构看起来像巨大的金属珠链。当粒子束穿过一个又一个空腔时,它吸收能量。这些直径约一米的低温模块容纳了这些空腔,并允许它们被冷却到2开尔文左右,从而维持空腔超导电性所需的温度。

在过去的二十年里,费米实验室开发了超导射频(SRF)项目,使费米实验室能够参与LCLS-II尖端加速器部件的设计、建造和测试。

费米实验室首席技术官亚历克斯·罗曼年科(Alex Romanenko)说:“我们很自豪能成为这一突破性新光源建设的关键合作伙伴。”“在过去的二十年里,能源部对高能物理的投资使费米实验室大大推进了研发和SRF项目的开发,从而在SRF腔体的效率方面取得了重大突破,这得益于氮掺杂和减少俘获磁场的快速冷却方法等发现。这些改进有助于LCLS-II的世界领先的低温模块。”

LCLS-II SRF低温模块设计是对德国DESY实验室开发的一种类型的改进。费米实验室在超导表面制备领域的进一步研发,使加速器腔的性能创下了历史纪录,使它们在加速束流的同时具有很高的能效。下一代低温组件的工作已经在进行中,用于未来LCLS-II的高能升级。

“费米实验室和杰斐逊实验室在SRF方面的领导能力使他们成为参与LCLS-II加速器设计和建造的完美合作伙伴,”能源部湾区现场办公室副经理汉利·李(Hanley Lee)说,他是这项工作的联邦项目主管。“如果没有这些先进的低温组件,SLAC的新型X射线激光器将不是我们所期望的先进机器。LCLS-II将是一个史无前例的发现工具,为自然界隐藏的过程亮起一道亮光,这些过程可能是改善我们的健康、环境和安全的关键。如果没有来自广泛领域的研究人员的各种专业知识,我们就无法建造它,而这些专业知识正是这个非凡项目的一部分。”

费米实验室主任奈杰尔·洛克耶也认为,在LCLS-II低温组件的成功中,合作是关键。

洛克耶说:“LCLS-II项目是能源部实验室优势的极好合作伙伴关系。“利用费米实验室为研究物质的基本组成部分而开发的加速器科学和技术,我们现在将其应用于LCLS-II,以便探索新的科学领域。LCLS-II是合作科学努力的证明。”


 
费米实验室的技术人员通过对仪器进行最后的检查,为运输冷冻模块做准备。照片:Ryan Postel,费米实验室

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