多年來，美國能源部的三個國家實驗室一直在合作，以進一步改進最先進的粒子加速器技術。在費米國家加速器實驗室建造的原型機的首次測試表明，這項努力已經得到了回報，并創下了新的組件設置記錄。
正在開發的技術被稱為超導射頻低溫模塊，這是一種可以有效加速粒子的高科技設備。它是現代粒子加速器和 X 射線激光器的關鍵組成部分。在美國能源部科學辦公室、費米實驗室、托馬斯杰斐遜國家設施和 SLAC 美國國家加速器實驗室的支持下，所有這些都匯集了他們的專業知識，用于低溫模塊的研究和開發，這些模塊將增強 SLAC 的 X 射線激光器，即直線加速器相干光源（LCLS）。
在插入低溫模塊真空容器之前組裝 vCM 冷質量。照片：APS-TD工藝工程組
LCLS 產生非常明亮的 X 射線束，用于讓研究人員深入了解細胞、材料和生化途徑的原子結構。目前正在將LCLS升級為LCLS-II。目前正在開發的低溫模塊將成為未來高能更新的一部分，稱為 LCLS-II-HE，它將實現更精確的原子 X 射線映射。
例如，生物醫學和材料科學領域的研究人員可以使用 LCLS-II 和 LCLS-II-HE 來研究能量如何在小分子和生化系統中流動；光如何穿透合成材料并與之相互作用；以及材料在極端環境中的表現。重要的是，科學家們還可以使用 LCLS 技術來研究電場的特性以及壓力和磁性等因素如何控制粒子相互作用。
懸臂夾具中的 vCM，用于將冷物質插入真空容器。照片：APS-TD工藝工程組
為了產生 X 射線，LCLS-II 使用超導射頻技術加速電子。在達到接近光速后，電子穿過一系列稱為波蕩器的磁鐵，這迫使它們沿著鋸齒形路徑行進，并以 X 射線的形式釋放能量，然后用于研究。
從原型到生產
LCLS-II 的高能升級是對看似不可能完成的任務的解決方案。研究人員希望將 X 射線激光的能量增加一倍，但升級必須擠在現有加速器和另一個實驗之間的一個相對較小的區域內。當前最先進的技術需要太多的空間——因此團隊必須發明一種方法將更多的粒子沖擊裝入他們的設備中。
加速器專家通過多種方式改進了低溫模塊。他們使用一種稱為“氮摻雜”的過程來優化超導加速器腔壁的分子組成，這些組件是加速粒子束的組件。他們還開發了組裝和完成組件的新程序。提高清潔度可減少表面任何污染（包括錯誤的灰塵顆粒）造成的不良影響。
“我們從 LCLS-II 經驗中取得的成功開始啟動 LCLS-II-HE。我們將利用我們的成功以及我們不想要的結果，并將吸取的教訓應用于 LCLS-II-HE。”
費米實驗室的原型是“驗證低溫模塊”。這證明設計按預期工作，改進后的低溫模塊將成功安裝在有限的空間中，并且可以開始最終生產。這是未來幾年升級的良好開端，將需要 24 個新的低溫模塊：13 個在費米實驗室生產，11 個在杰斐遜實驗室生產。研究人員改進了遠遠超出當前規格的低溫模塊，新設備將使 LCLS-II 的性能提高 30%。
“從結構上講，如果您從外部觀察低溫模塊，您將無法分辨其中的區別，”杰斐遜實驗室高級團隊負責人約翰霍根說。“但如果我們能夠在整個生產過程中保持這種測試性能，它將為機器提供更多能量。”
MP9 半導體級潔凈室中的 vCM 腔體組裝。照片：APS-TD工藝工程組
專家們關注質量因數，稱為 Q0，它衡量低溫模塊的效率——基本上，它產生了多少多余的熱量。超導腔產生的熱量比由銅制成的普通導電腔少約 10,000 倍。但它們必須保持在低溫下（通常大約 2 開爾文，或負 456 華氏度），需要低溫植物。為了保持合理的低溫要求，許多加速器以“脈沖模式”運行，脈沖之間有暫停以減少低溫負載。氮摻雜過程極大地提高了 Q0，以至于 LCLS-II 中的低溫模塊可以在全傾斜狀態下運行而不會停止，這種特性稱為“連續波模式”。
驗證低溫模塊在這種連續模式下創下了記錄；通過模塊的電子的能量將增加令人難以置信的 2 億電子伏特。單個低溫模塊內的快速加速將使高能 LCLS-II 能夠在更短的距離內達到更高的能量，同時使用更少的低溫模塊。該團隊還能夠保持高質量因素，這意味著以最小的多余熱量實現更快的加速。
費米實驗室高級團隊負責人塔格.阿爾肯表示，高能升級的主要重點是質量和性能，建立在實驗室合作經驗的基礎上。“對于 LCLS-II，我們設計了；我們采購了零件；我們將零件組裝成低溫模塊；我們測試了低溫模塊；然后我們成功地將它們交付給了 SLAC，”阿爾肯說。“我們從 LCLS-II 經驗中取得的成功開始啟動 LCLS-II-HE。我們將利用我們的成功以及我們不想要的結果，并將吸取的教訓應用于 LCLS-II-HE。”
杰斐遜實驗室和費米實驗室目前正在組裝所需的低溫模塊，預計將于 2024 年完成。這些設備將被運往 SLAC 并儲存起來，直到科學家準備好將它們移到 LCLS-II 加速器鏈末端的位置。
費米實驗室低溫模塊測試設施中的 vCM。照片：APS-TD工藝工程組
一旦 SLAC 的團隊安裝并調試了 LCLS-II-HE，從生物醫學科學和分子物理學到可再生能源的各個領域的研究人員都會發現該設施很有用。
“LCLS-II-HE 將為科學界提供更高的 X 射線能量和更好的工具和能力，”SLAC 的 LCLS-II-HE 項目主管格雷.海斯說。“隨著熱負荷降低而增加的梯度將使所需的液氦制冷裝置的數量減少一半，并縮短整個加速器的長度，使其能量增加一倍以上，使其僅長 50%。”
低溫模塊制造、安裝和操作方面的進步也將有助于未來大大小小的粒子加速器。許多粒子加速器使用與 LCLS-II 相同的超導射頻技術來加速粒子，因此應用 LCLS-II-HE 升級的工程原理將允許其他研究團隊創建高性能加速器低溫模塊，產生很少的多余熱量和可以高效運行。
“更高的梯度性能和更低的發熱將極大地改進未來的粒子加速器，”海斯說。“它轉化為更低的建設和運營成本。”
