全球同步加速器展開終極大決戰—新聞—科學網

2020-12-05 科學網
誰能造出最聚焦的X射線光源？
全球同步加速器展開終極大決戰

瑞典MAX IV同步加速器的磁體         圖片來源：DANFYSIK，TAASTRUP，DENMARK

 

每天，在世界各地的數十個同步加速器中，電子被束縛在儲存環周圍，以促使其發射X射線，用於材料成像、識別化學反應產品和確定晶體結構等。

 

但是，光子科學家不想僅停留在老式的儲存環階段。10多年來，他們一直夢想「終極的」儲存環——使用專門的磁鐵來產生X射線。

 

目前，美國伊利諾州阿貢國家實驗室先進光子源（APS）的研究人員正在採取措施研發這項技術。在這個過程中，他們希望能在該領域的研發中搶得先機，超越幾個國際設備已經獲得的成就。

 

在瑞典，終極儲存環技術由MAX IV首創。MAX IV位於隆德市，是一個圓周為528米的同步加速器。2006年，通過更緊密地聚焦電子束，科學家首次尋求增加同步加速器X射線的強度和亮度。該設計依賴由7個磁鐵組成的裝置，被稱為多彎曲消色差透鏡，能夠被放置在儲存環周圍20處地點以推動電子束的活動路徑，直到電子束能基本上整齊地排列。該機器的主管Mikael Eriksson回憶道，很少有人相信該設備具有如此大的威力。

 

8月29日，在網上發布的一份報告中，阿貢實驗室研究人員描述了他們期望如何升級配有多彎曲消色差透鏡的圓周為1.1千米的APS。APS主管Brian Stephenson說：「一項具有革命性的新技術已經出現。」

 

目前的儲存環至多只有雙彎曲消色差透鏡——包含兩個而非七個磁體。物理學家曾設想，磁體越多，電子束會越不穩定，因為電子束被彎曲得過於厲害且受到過多波動。但是，MAX IV的工作顯示，非常緊湊的磁鐵能使彎曲的路徑縮短，以阻止波動的發生。

 

APS受到了美國能源部（DOE）的資助。DOE表示，將會繼續支持該計劃。7月，DOE顧問委員會的一位成員建議，與其他國家大力推進終極儲存環的研究相比，美國的實驗室處於落後的位置。該顧問委員會還建議，研發下一代X射線雷射器，用於記錄化學反應中的分子變化。但是，這樣的X射線雷射器有一些限制：它強烈的光脈衝峰值將破壞精細的材料。相比之下，終極儲存環能夠提供更加平和的光脈衝峰值。

 

研究人員表示，通過繪製變化的化學過程，這些儲存環能徹底改變X射線成像。目前的X射線源還不夠明亮，無法追蹤納米和納秒解析度物質的變化，因為電子束中沒有足夠多相互協調的光子。終極儲存環將改變這一限制。威斯康星大學麥迪遜分校材料科學家Paul Evans說：「我們將迎來一個全新的局面。」例如，儲存環能被用於研究電池內部的物質接口處發生了哪些化學上和電力上的變化。

 

APS正在尋求進一步升級先前已被認可的終極儲存環技術。成本計算正在進行中，Stephenson希望在不過多增加成本的前提下（目前的預算是3.91億美元），將多彎曲消色差透鏡囊括其中。MAX IV正在實施的技術只耗費了3.4億瑞典克朗（5200萬美元），但是這個儲存環更小，且這一數額並不包括日常開支費用。

 

升級後，APS將超越MAX IV，接近最集中光束的理論極限。瑞典的同步加速器包括20個多彎曲消色差透鏡，而升級APS需要約40個多彎曲消色差透鏡。2012年，美國加州門洛帕克市SLAC國家加速器實驗室的物理學家表示，在不從根本上破壞電子束的情況下，圍繞更大儲存環的多彎曲消色差透鏡的數量可以更多。SLAC束流物理學的領頭人Yunhai Cai說：「關鍵在於使彎曲更加平和。」

 

與APS類似，法國格勒諾布爾市歐洲同步輻射實驗室（ESRF）也選擇了升級多彎曲消色差透鏡。去年10月，一個工作小組得出結論，這項技術是負擔得起的。ESRF總幹事Francesco Sette說，加速器物理學家的工作顯示，多彎曲消色差透鏡能和機器現有的噴射裝置（每天幾次向主環提供額外的電子）配合工作——他曾認為需要一個新的噴射裝置。Sette說：「我們現在正在全力開展這一工作。」

 

巴西和日本的儲存環也將對多彎曲消色差透鏡升級，預計2015年完工的MAX IV很快將面臨競爭。

 

一些人認為，粒子物理隧道能最終被改變為多彎曲消色差透鏡的光源。SLAC有一個閒置的圓周為2.2千米的隧道，它最初放置了一個粒子加速器用來比較物質和反物質的衰變速率。一個現已被關閉的粒子加速器（位於伊利諾州巴達維亞附近的費米國家加速器實驗室）佔用的圓周為6.3千米的隧道，是另一處可供選擇的地點。Eriksson說，考慮到科學預算的因素，建造這種規格的終極儲存環對於瑞典來說並不現實。

 

Eriksson知道，瑞典走在這一領域前列的時間不會太久，看到其他國家正在採用他和同事滿腔熱情首創的技術，Eriksson懷著矛盾的心情。他說：「我們既高興，又感到一些遺憾。」

 

（段歆涔）

 

《中國科學報》 (2013-09-19 第3版 國際)

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