這一壯舉是由一群專門的科學家、技術人員和工程師組成的質子改進計劃-II（PIP-II）八年多來工作的成果。
費米實驗室 PIP-II 項目總監 Lia Merminga 說：“首先，我對整個團隊如何在疫情期間團結在一起并在如此不利的情況下取得如此大的成就感到非常自豪。”
2020 年 2 月，PIP-II 工程師 Lidija Kokoska(左)和項目總監 Lia Merminga 站在 PIP-II 測試注射器設施中。2021 年春季，PIP-II 團隊成功完成了新型粒子加速器前端的測試。照片：Al Johnson，費米實驗室
下一代加速器的原型設計
一旦完成，PIP-II 將成為世界上能量最高、功率最高的線性粒子加速器之一。這是美國第一個具有重大國際貢獻的加速器項目，合作機構遍布法國、印度、意大利、波蘭和英國。
PIP-II 將為國際粒子物理學界提供世界一流的科學設施，使利用中微子、μ 子和質子進行以發現為重點的研究成為可能。它將為國際深層地下中微子實驗以及費米實驗室的許多其他粒子物理實驗提供動力，這些實驗旨在改變我們對宇宙的理解。在此過程中，它加強了基礎科學進步與技術創新之間的聯系。
PIP-II 加速器將有 215 米長，可將粒子推進至光速的 84%。它將具有以穩定流或脈沖模式傳送粒子束的獨特能力。該機器將包括 23 個低溫模塊——容納和冷卻被稱為超導腔的結構的大型容器。這些空腔將提供 PIP-II 中的大部分粒子加速。
PIP-II 雄心勃勃的規范伴隨著許多技術挑戰。例如，PIP-II 將具有五種不同類型的超導腔。每種類型都需要單獨進行原型設計和測試。
“國際社會首次遇到了 PIP-II 設計中嵌入的一些功能，因此需要進行深入的開發和技術驗證，”梅明加說。“由于 PIP-II 由來自世界各地的組件構建而成，因此確保所有這些系統無縫集成至關重要。”
PIP2IT 的構思、構建和運行是作為 PIP-II 前端的概念驗證。它包括粒子源和大約 30 米長的第一部分。
“我們想要建造它，因為它是 PIP-II 中最復雜的部分之一，”PIP-II 項目科學家兼調試經理 Eduard Pozdeyev 說。“PIP2IT 背后的主要想法是對主加速器的關鍵系統進行原型設計。”
成功的兩個階段
PIP2IT 的構建和測試分兩個階段進行。第一階段于 2013 年開始，重點是構建機器的室溫部分。這包括三部分：產生氫離子的離子源;由美國能源部伯克利實驗室設計和制造的射頻四極桿模塊或 RFQ，用于聚焦和加速粒子束;以及用于將束流傳送到加速器的超導部分的傳輸線。
該團隊隨后從 2016 年到 2018 年進行了第一階段測試。測試以產生達到 210 萬電子伏特能量目標的光束結束。所有室溫組件的成功測試是進入項目下一階段所必需的關鍵步驟。
“離子源以 30,000 電子伏特輸出這些 H 負離子，這與老式陰極射線管電視過去產生的能量相當，”費米實驗室工程師柯蒂斯·巴菲斯 (Curtis Baffes) 說，他是 PIP-II 的直線加速器安裝經理。“然后 RFQ 需要高達 210 萬電子伏特——這是一個非常顯著的能量增加。”
在 2019 年開始的第二階段，PIP2IT 團隊安裝并測試了機器冷段的第一部分，該部分使用了超導射頻技術。他們安裝了兩個稱為 HWR 的低溫模塊，由 DOE 的阿貢國家實驗室提供，以及由費米實驗室設計和建造的 SSR1。
SSR1 還集成了一項稱為strongback技術的新功能 。通常，技術人員將低溫模塊內的空腔相互連接起來。強固技術將空腔連接到一個公共框架。這減少了振動并使對準和組裝更容易。
達成所有目標
巴菲斯說，用液氦冷卻這兩個低溫模塊，然后證明它們可以加速光束是“一項重大成就”。“當這兩個低溫模塊冷卻、通電和驗證時，它們分別是重要的里程碑。然后最后一個里程碑是將所有東西放在一起并用粒子束進行操作。”
PIP-II 團隊冷卻并成功操作兩個低溫模塊，包括這個 SSR1 低溫模塊，將粒子加速到 1650 萬電子伏特的束能量。照片：湯姆尼科爾，費米實驗室
盡管疫情泛濫，PIP2IT 團隊還是為費米實驗室管理了幾項新穎的壯舉。這包括使用超導技術首次加速質子束;在SSR1，完全開發并在內部構建第一cryomodule完成; 以及采用新型強力背膠技術。PIP-II 的國際合作伙伴印度 Bhabha 原子研究中心提供了一個 SSR1 腔，滿足該組件的嚴格規范。BARC 還提供了射頻功率放大器，為 SSR1 低溫模塊供電并成功啟用 PIP2IT 中的光束加速。
測試加速器達到了團隊的目標。該機器達到了長基線中微子設施所需的光束參數，這將為深地下中微子實驗生成中微子。PIP2IT 實現了 1650 萬電子伏特的束能量、2 毫安的電流、550 微秒長的脈沖和 20 赫茲的重復頻率。它還展示了國家和國際合作伙伴交付成果的無縫整合。
將 PIP2IT 的許多部分組合在一起并確保它們滿足所有操作要求并非易事。Pozdeyev 說，這是一個經過專門團隊多年艱苦努力的過程。“一旦我們展示了整個復雜系統的運行情況，我們就松了一口氣。”
除了該項目帶來的技術挑戰之外，在大流行期間工作還帶來了額外的障礙。在重新開始之前，PIP2IT 團隊不得不暫時停止活動并采取所有必要的預防措施——例如設置有機玻璃屏障和建立嚴格的社交距離規則。
“我們實現了所有主要目標和里程碑，即使遇到了所有這些困難，”PIP-II 暖前端經理萊昂內爾·普羅斯特 (Lionel Prost) 說。“很高興我們能夠在那個時候做到這一點。”
測試新功能：光束斬波和人工智能
PIP2IT 團隊還為 PIP-II 測試了一項新技術：逐束斬波。
加速器通常成束地推進和輸送粒子——每個粒子都包含數萬億個粒子——相隔僅幾納秒。PIP2IT 中所謂的斬波器系統使操作員能夠以受控的時間間隔噴射粒子束。這使機器能夠提供滿足給定實驗需求的獨特光束模式。
“這種斬波系統的一個特殊之處在于，它應該能夠接收來自 RFQ 的任何束，并能夠將它們踢到吸收器或讓它們通過，”普羅斯特說。“這是一項棘手且困難的技術成就，因為這項技術在其他任何地方都不存在。”
該團隊還展示了人工智能在 PIP2IT 中的實施。他們使用機器學習算法來對齊冷凍模塊內的光束軌跡。最終目標是在 PIP-II 及以后更廣泛地使用此類 AI/ML 技術。
“最終愿景是自動加速器，”默明加說。“一位科學家進來，撥入他們想要進行實驗的光束參數，然后軟件會調整機器以提供它們。最少甚至沒有人為干預。”
新的開始
PIP2IT 于 4 月完成了最后一次運行?，F在，該團隊正在拆卸機器。他們將儲存低溫模塊和其他組件，直到PIP-II 大樓的建設完成。
此渲染圖顯示了將在費米實驗室安裝新 PIP-II 粒子加速器的建筑物。本圖頂部顯示的冷凍設備大樓的建設正在進行中。16 層高的威爾遜廳在右下角部分可見。插圖：費米實驗室
同時，項目團隊將把目前裝有 PIP2IT 的洞穴改造成 PIP-II 低溫模塊測試設施。在安裝之前，PIP-II 的 23 個低溫模塊中的每一個都需要冷卻到低溫并進行測試。
PIP2IT 是一次重要的學習經歷。該項目為團隊提供了有關機器復雜組件(如低溫模塊)操作的重要課程。它還展示了集成眾多系統所必需的協調。
“所有這些經驗教訓都將用于改進、更新、修改和測試 PIP-II 的設計，”Pozdeyev 說。“當您開始調試新機器時，有時您不知道會發生什么。從 PIP2IT 獲得的測試結果顯著降低了未來運營的風險。”
雖然 PIP2IT 現已完成，但 PIP-II 的旅程仍在繼續。
“證明 PIP-II 的前端可以滿足其要求無疑是該項目的一個重要里程碑，”Baffes 說。“但這絕對不是故事的結局。”
費米實驗室得到美國能源部科學辦公室的支持?？茖W辦公室是美國物理科學基礎研究的最大支持者，正在努力應對我們這個時代一些最緊迫的挑戰。如需更多信息，請訪問 science.energy.gov。
