芝加哥大學(xué)是康奈爾大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的改造電子束技術(shù)中心的合作伙伴。
由康奈爾大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究人員合作已從美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)獲得 2250 萬(wàn)美元，以繼續(xù)獲得改變科學(xué)、醫(yī)學(xué)和工業(yè)可用電子束亮度所需的基本理解。
光束中心(CBB)是美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的一個(gè)科學(xué)技術(shù)中心，創(chuàng)建于2016年，最初向康奈爾大學(xué)和伙伴機(jī)構(gòu)(包括芝加哥大學(xué)和附屬的費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室)提供了2300萬(wàn)美元的獎(jiǎng)勵(lì)。該中心將加速器科學(xué)與凝聚態(tài)物理學(xué)、材料科學(xué)和表面科學(xué)結(jié)合起來(lái)，以推進(jìn)粒子加速器技術(shù)，該技術(shù)在創(chuàng)造從醫(yī)學(xué)、電子學(xué)到粒子物理學(xué)的新突破方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
該中心的目標(biāo)是提高全球加速器技術(shù)的性能并降低成本，開發(fā)新的研究?jī)x器，改變生物學(xué)、材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)、粒子物理學(xué)和核物理學(xué)的前沿領(lǐng)域，以及開發(fā)新的制造工具，使芯片制造商能夠繼續(xù)縮小集成電路的功能。
"目前，所有這些科學(xué)和工業(yè)儀器都受到其光束亮度的限制，"光束中心主任、康奈爾大學(xué)Helen T. Edwards物理學(xué)教授Ritchie Patterson說(shuō)。"CBB是世界上唯一一個(gè)匯集了跨學(xué)科方法來(lái)解決限制加速器科學(xué)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)的中心。這筆更新的資金將幫助我們?cè)谄駷橹沟某晒A(chǔ)上再接再厲，我們的合作方式讓我們受益匪淺。"
該中心設(shè)在康奈爾大學(xué)的基于加速器的科學(xué)和教育實(shí)驗(yàn)室(CLASSE)，以及來(lái)自其他七所大學(xué)和三個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家。
每個(gè)地下室都有一個(gè)光束
一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)的重大進(jìn)展來(lái)自于散射、成像、光譜和碰撞光束實(shí)驗(yàn)。但是為了看到新的東西，你必須做一些新的東西，而這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)在正變得越來(lái)越依賴于時(shí)間分辨的信息，這使得諸如分子機(jī)器工作的真實(shí)電影成為可能。其他依賴于粒子束進(jìn)展的尖端方法包括用于腫瘤治療的粒子束、能夠?qū)蝹€(gè)原子成像的電子顯微鏡、用于晶圓計(jì)量的儀器以及大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。
自2016年以來(lái)，CBB的研究已經(jīng)產(chǎn)生了一種電子源，其尺寸和發(fā)散度比目前使用的普通源小十倍。這將為藥物設(shè)計(jì)開辟新的途徑，讓研究單分子結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)的生物學(xué)家將其數(shù)據(jù)收集時(shí)間減少90%。
該中心還創(chuàng)造了新的光束加速方法，與今天的性能相當(dāng)，但操作起來(lái)卻簡(jiǎn)單得多。CBB的高場(chǎng)超導(dǎo)射頻腔將通過(guò)減少隧道的長(zhǎng)度和腔體的數(shù)量，將最大的加速器的建造成本降低到數(shù)十億美元。放寬的腔體工作溫度將簡(jiǎn)化低溫技術(shù)，使大學(xué)和工業(yè)界更容易獲得光束，或 "每個(gè)地下室都有光束"。
"今天大約有3萬(wàn)臺(tái)加速器正在運(yùn)行，用于發(fā)現(xiàn)科學(xué)和工業(yè)及醫(yī)療用途。它們受到粒子束強(qiáng)度、尺寸和成本的限制，"中心成員、芝加哥大學(xué)路易斯-布洛克杰出服務(wù)物理學(xué)教授Young-Kee Kim說(shuō)。"但隨著對(duì)粒子束和光束加速背后的基本科學(xué)的深入了解，我們可以解決限制它們的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。CBB的愿景是創(chuàng)造兩個(gè)數(shù)量級(jí)的更明亮的電子束，并使大學(xué)和工業(yè)界更容易獲得這些電子束。"
"芝加哥大學(xué)Carl William Eisendrath化學(xué)和James Franck研究所杰出服務(wù)教授、CBB下一代超導(dǎo)射頻材料研究的共同領(lǐng)導(dǎo)者Steven J. Sibener說(shuō)："CBB已經(jīng)匯集了一個(gè)非常廣泛的研究人員，包括來(lái)自物理學(xué)、物理化學(xué)、材料研究和加速器科學(xué)的科學(xué)家--一個(gè)不同尋常的團(tuán)隊(duì)，擁有必要的技能和長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光，可以幫助下一代加速器的實(shí)現(xiàn)，對(duì)許多領(lǐng)域產(chǎn)生影響。"我的角色對(duì)我的研究小組和我個(gè)人來(lái)說(shuō)都有深遠(yuǎn)的意義，為我們介紹了先進(jìn)超導(dǎo)材料設(shè)計(jì)的新研究方向，最終將導(dǎo)致成本較低的加速器的創(chuàng)新，其亮度和性能都得到了極大的改善。"
圓柱形金屬部件
明亮光束中心正在測(cè)試一種新的形成方式，用于加速器的一個(gè)重要組成部分，即超導(dǎo)射頻腔。鈮-三錫有望獲得更好的性能，但到目前為止，其制造難度更大。
目前大約有3萬(wàn)臺(tái)工業(yè)和醫(yī)療加速器在使用，年銷售額達(dá)35億美元。CBB第一階段的知識(shí)轉(zhuǎn)移主任、應(yīng)用和工程物理學(xué)院的Samuel B. Eckert工程教授David Muller說(shuō)，該中心的研究旨在增加這一數(shù)字，因?yàn)楦恋墓馐鴰?lái)了新的能力。
"有了這一輪新的資金，CBB將進(jìn)行最富有成效的研究，以實(shí)現(xiàn)更高的亮度，"穆勒說(shuō)，"我們將為芯片制造商和工業(yè)領(lǐng)袖以及較小的研究機(jī)構(gòu)正在使用的加速器準(zhǔn)備這些方法。"
雖然CBB繼續(xù)在粒子加速器的前沿領(lǐng)域取得重大進(jìn)展，但其最大的影響可能是教育未來(lái)科學(xué)家掌握電子束技術(shù)的結(jié)果。
"這些大型對(duì)撞機(jī)、強(qiáng)烈的X射線源和電子顯微鏡是科學(xué)和工業(yè)的基本工具，但美國(guó)很少教育學(xué)生了解他們賴以成功的電子束，"CBB副主任和化學(xué)(A&S)教授Melissa Hines說(shuō)。"我們的研究生正在幫助彌補(bǔ)這一差距，CBB的學(xué)生中大約有一半是在能源部確定的關(guān)鍵需求領(lǐng)域。我們最重要的產(chǎn)出幾乎可以肯定是大量的研究生和博士后，他們中的大多數(shù)人將會(huì)在各種不同的領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的影響。"
CBB還包括亞利桑那州立大學(xué)、楊百翰大學(xué)、北伊利諾伊大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校、芝加哥大學(xué)、佛羅里達(dá)大學(xué)、新墨西哥大學(xué)、費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室，以及其他機(jī)構(gòu)的分支機(jī)構(gòu)。
