密歇根州立大學 (MSU) 耗資 7.3 億美元的稀有同位素束設施 (FRIB) 計劃于 2022 年初上線，這在各個方面都將改變美國和國際核物理學界的游戲規則。隨著第一輪實驗提案的同行評審和批準現已完成，來自 25 個國家的首批科學家正在為利用 FRIB 的獨特功能做最后的準備。他們的目標是：開辟稀有和不穩定同位素基礎研究的新領域，并為現實世界的應用確定有前景的候選同位素。
FRIB 科學計劃的機艙是一個全新的 400 kW 超導射頻 (SRF) 直線加速器。簡而言之：世界上最強大的重離子驅動加速器，向較重的原子核(例如碳或鈹)的目標發射穩定同位素束。在飛行粒子的混亂中，兩個原子核偶爾會碰撞，融合形成一種稀有且不穩定的同位素——這一過程最終將高強度的稀有同位素束輸送到 FRIB 的實驗終端站和一套科學儀器。
由美國能源部科學辦公室 (DOE-SC) 資助，并得到 MSU 成本分攤和捐款的支持，FRIB 將作為傳統的大科學用戶設施運營，通過對提案和訪問的優點審查授予光束時間向所有感興趣的研究人員開放。在這里，FRIB 的科學主管 Bradley Sherrill 向CERN Courier講述了該實驗室如何為“上線”做準備，以及與國際用戶社區、行業和其他稀有同位素設施進行廣泛合作的重要性。
FRIB 科學任務的總體目標是什么?
FRIB 科學計劃有四個主要部分。首先，用戶實驗將產生大量數據，以促進我們對原子核的理解——它是如何組合在一起的，以及我們如何開發理論核模型及其近似值。與此同時，該研究計劃將對宇宙中化學元素的起源產生獨特的見解，提供參與極端天體物理過程(如超新星和中子星合并)的大多數稀有同位素的途徑。與此同時，其他科學家將使用 FRIB 生產的同位素來設計超越標準模型的實驗，尋找隱藏相互作用和微小破壞的對稱性的微妙跡象。最后，FRIB 將產生研究數量的稀有同位素，用于研發
FRIB 最大的區別是什么?
400 kW SRF 直線加速器是 FRIB 對研究界價值主張的核心，它開辟了對稀有同位素范圍比迄今為止更廣泛的途徑——事實上，大約 80% 的同位素預測存在。但值得注意的是，FRIB 并不是孤立存在的。它是全球研究生態系統的一部分，與其他稀有同位素設施的合作網絡正在進行中——其中包括日本的 RIKEN RI Beam Factory、韓國的 RAON、CERN 的 ISOLDE、德國的 FAIR、法國的 GANIL 和 TRIUMF 的 ISAC加拿大。總的來說，FRIB 和這個全球實驗室網絡有能力在未來幾十年在核科學領域提供前所未有的和互補的進步。
期望 FRIB 的研究計劃帶來更廣泛的商業機會是否現實?
FRIB 很有可能產生衍生技術和商業應用。FRIB 的一個改變游戲規則的是光束線可以高效生產稀有同位素的數量——這種生產方案使我們能夠相對快速地以高純度生產大量同位素。反過來，這種能力將使工業中潛在的早期采用者能夠快速跟蹤對新應用的評估，并在適當的情況下找出如何大規模生產感興趣的同位素(參見“FRIB 的大豐收將推動應用科學和創新”)。
FRIB 如何與學術界、工業界和政府機構的科學用戶社區互動?
FRIB 與其未來的用戶——無論是在美國還是在國際上——都享有密切的聯系，并在計劃活動時定期與他們會面，以確定和協調研究機會。今年早些時候，為了響應我們的第一次提案征集，我們收到了來自 30 個國家/地區的 130 家機構的 82 個項目提交和 6 份意向書。這些科學提案隨后由我召集的國際核科學專家小組 FRIB 計劃咨詢委員會 (PAC) 進行了同行評審，以產生一組初始實驗，一旦 FRIB 于 2022 年初開始用戶運營，這些實驗將開始。
這些 PAC 推薦的實驗與四個 FRIB 優先領域的國家科學優先事項保持一致：稀有同位素的特性;核天體物理學;基本相互作用;和社會應用。標題數字看到 34 項(請求的 82 項中)獲得批準，預計設施使用時間為 4122 小時。最初的實驗計劃中有 88 個機構、24 個美國州和 25 個國家。
FRIB 的豐收將推動應用科學和創新
隨著 FRIB 履行其提供稀有同位素束來滿足廣泛的國際用戶計劃的基本科學使命，將形成過量的有用放射性同位素。然而，為了使 FRIB 光束達到高純度，這些“過剩”同位素中的絕大多數最終將被丟棄在充滿水的光束傾倒場中——擱淺的資產被閑置，并且在很大程度上仍未被探索。
考慮到這一點，DOE-SC 核物理辦公室通過 DOE 同位素計劃，在未來四年內向 FRIB 科學家提供了 1300 萬美元的資金，用于建立 FRIB 的同位素收集能力。希望在不影響 FRIB 的主要用戶的情況下，系統地回收多余的同位素可以開辟新的應用研究領域——從生物化學到核醫學，從輻射熱發生器到核武器庫存管理。
“這筆贈款是為了擴大 FRIB 的科學影響，”FRIB 收獲項目的首席研究員 Greg Severin 說。“雖然 FRIB 的物理學家正在取得突破性的基礎發現，但我們的團隊將支持應用科學領域的激動人心的機會。”
2018 年，DOE-SC 授予 Severin 和他的同事一筆初始贈款，以證明同位素收集是可行的。他們的概念驗證涉及在 FRIB 的前身——密歇根州立大學的國家超導回旋加速器實驗室中建造一個小型同位素收集器。
現在，隨著后續資金的獲得，Severin 的團隊正在擴大規模，正在 FRIB 建造一個專門的同位素收集庫，并計劃于 2024 年完工。
另見“FRIB 的同位素收獲：科學發現的額外機會”(J. Phys. G：Nucl. Part. Phys. 2019 46 100501)。
FRIB 的早期職業科學家和工程師有哪些機會?
發展人才管道是 FRIB 組織 DNA 的一部分。有一個結構化的教育框架，可以將 FRIB 高級工作人員的專業知識和經驗傳授給下一代核科學領域的研究人員、工程師和技術人員。MSU 的加速器科學與工程培訓 (ASET) 計劃就是一個很好的例子。ASET 利用 FRIB 和 MSU 同事的多學科專業知識來支持四個關鍵領域的專業化：大型加速器的物理和工程;SRF技術;射頻功率工程;和大型低溫系統。
有“ FRIB的SA高的可能性高產新分拆技術，以及商業應用許多 MSU ASET 學生通過參加美國粒子加速器學校來補充他們的課程，這是一個國家計劃，提供粒子束科學和相關加速器技術方面的研究生水平培訓和勞動力發展。在更專業的層面上，還有 MSU Cryogenic Initiative，這是該大學工程學院和 FRIB 的低溫團隊之間獨特的教育合作。同時，我們繼續優先發展更多樣化的勞動力，與傳統上為代表性不足的群體提供服務的幾家學術機構合作，以擴大對 FRIB 計劃的參與。
FRIB 以何種方式確保設施管理的最佳實踐方法?
可持續性和持續改進是所有 FRIB 工作實踐的基礎。我們是 ISO14001 注冊組織，這意味著我們根據指定有效環境管理要求的國際標準來衡量自己。例如，這反映在我們使用高能效超導技術，以及我們通過 FRIB 低溫工廠內詳盡的捕獲、回收和再利用計劃最大限度地減少氦氣浪費的努力。
我們還有一個通過 ISO 9001 注冊的質量管理體系，指導我們如何滿足科學的用戶需求;一個通過 ISO 45001 注冊的職業健康和安全管理體系，以確保我們的工人安全;和 ISO 27001 注冊的信息安全管理系統。
FRIB 與行業的關系有多重要?
我們與行業的戰略合作伙伴關系在提高組織效率方面也很重要。盡可能使用標準行業組件可減少維護和培訓要求，最大限度地減少對昂貴產品庫存的需求，并降低我們的運營成本。我們與制造商在共同開發、快速跟蹤創新和知識轉移的基礎上與制造商合作，以便他們能夠為 FRIB 大規模生產核心使能技術——無論是加速器腔、超導磁體，還是真空和低溫子系統。
