FACET-II是世界上唯一能夠提供高能電子束和正電子束的設(shè)施，用于研究各種革命性的加速器技術(shù)，這些技術(shù)可以將未來的加速器縮小100到1000倍并提高其性能。圖片來源：Greg Stewart / SLAC國家加速器實驗室
能源部的SLAC國家加速器實驗室啟用了一種新設(shè)備，可以為下一代粒子對撞機和強大的光源鋪平道路。作為美國能源部(DOE)的用戶設(shè)施，F(xiàn)ACET-II是世界上唯一能夠提供高能電子束和正電子束的設(shè)施，用于研究各種革命性的加速器技術(shù)，這些技術(shù)可以將未來的加速器縮小100到1,000倍，并提高其加速度能力。
“粒子加速器是終極顯微鏡，” FACET-II項目科學家Mark Hogan說。“我們可以使用它們制造高能光束，使它們碰撞以了解最小的粒子和將宇宙保持在一起的力，或者我們可以來回擺動光束以產(chǎn)生強大的X射線爆發(fā)，從而使我們能夠拍攝超小型，超快原子過程的照片以了解生物學和化學。FACET-II將幫助我們開發(fā)新技術(shù)，使我們能夠制造更小，更便宜，更強大的機器。”
技術(shù)升級
該項目是高級加速器實驗測試設(shè)施(FACET)的升級，該設(shè)施是美國能源部科學辦公室的用戶設(shè)施，該設(shè)施從2011年開始運營至2016年，該設(shè)施退役以為升級實驗室的X射線自由電子讓路。激光，直線加速器相干光源(LCLS)。FACET-II建立在FACET的成功基礎(chǔ)上，在該研究中，科學家證明了一種稱為等離子流場加速的技術(shù)可以提高電子及其反物質(zhì)粒子(正電子)的能量。在這種方法中，研究人員將一束高能粒子通過熱的離子化氣體或等離子體發(fā)送，從而產(chǎn)生等離子體尾流，使尾隨的束“沖浪”，在短距離內(nèi)上升至極高的能量。
在傳統(tǒng)的加速器中，粒子從金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部的射頻場中吸收能量。由于這些結(jié)構(gòu)在分解之前只能支持有限的每距離能量獲取，因此加速器需要非常長的時間才能達到更高的能量，并且建造成本很高。等離子體尾場法有可能大大縮小粒子加速器的尺寸和成本。例如，未來的等離子加速器可以在幾米之內(nèi)展現(xiàn)出與SLAC的2英里長的銅線性加速器(linac)相同的加速能力。
FACET-II使用了實驗室2英里長的線性加速器的中間三分之一(頂部是SLAC地面計劃)。它從電子源(左下)向?qū)嶒瀰^(qū)域(右下)發(fā)送電子束(藍線)，并以100億電子伏特的能量到達實驗區(qū)域。該設(shè)計允許增加稍后生產(chǎn)和加速正電子(底部，紅線)的功能。圖片來源：Greg Stewart / SLAC國家加速器實驗室
下一代
在過去的兩年中，SLAC的工作人員安裝了最先進的高亮度電子源和新的電子束壓縮器系統(tǒng)，用于產(chǎn)生強束。他們還升級了設(shè)施的控制系統(tǒng)并安裝了用于分析光束特性的工具。
FACET-II會像其前身一樣產(chǎn)生高能電子束，但質(zhì)量更高。新設(shè)施使用SLAC直線加速器的三分之一(從一端將電子發(fā)送到另一端的實驗區(qū)域)來產(chǎn)生能量為100億電子伏特的電子束。它的設(shè)計還使研究人員能夠增加產(chǎn)生和加速正電子的能力，這將使研究人員對等離子流場加速有更多的了解，并為基于等離子體的電子-正電子粒子對撞機的發(fā)展提供信息，這將增進我們對自然界基本粒子和力量。
霍根說：“如果要使用等離子體尾波加速器來制造高能物理的電子-正電子對撞機，我們首先需要了解如何加速等離子體中的正電子。” “ SLAC是唯一具有為這項研究提供正電子束所需基礎(chǔ)設(shè)施的實驗室。我們希望在未來幾年內(nèi)將這種功能聯(lián)機，這將使FACET-II與世界上任何其他設(shè)施區(qū)分開。
該設(shè)施還將幫助科學家設(shè)計新一代光源，例如比以往任何時候都更明亮的X射線激光器，并導致對現(xiàn)有X射線激光器(例如LCLS)的改進。這些功能強大的發(fā)現(xiàn)機為科學家提供了不斷變化的原子世界的無與倫比的視野，并開辟了從高能物理到醫(yī)學的各種新途徑，并為材料，生物和能源科學領(lǐng)域的研究提供了潛在的收益。
SLAC加速器部門的項目主管兼科學副主任Vitaly Yakimenko表示：“打開FACET-II就像打開一扇空前絕后的門。” “它將產(chǎn)生比以往任何時候強一百倍的電子束，并創(chuàng)造出全新的科學機會。”
在過去的兩年中，SLAC的工作人員安裝了最先進的高亮度電子源和新的電子束壓縮器系統(tǒng)，用于產(chǎn)生強束。他們還升級了設(shè)施的控制系統(tǒng)并安裝了用于分析光束特性的工具。圖片提供：Jacqueline Orrell / SLAC國家加速器實驗室
推動創(chuàng)新
作為DOE的用戶設(shè)施，F(xiàn)ACET-II每年將運行大約六個月，向約25個實驗提供光束，并接待來自大學，工業(yè)界和其他國家實驗室的約250名研究人員。
在接下來的幾個月中，F(xiàn)ACET-II計劃咨詢委員會將檢查為射束時間選擇的初始實驗的準備情況，并審查第二輪提案，以排隊等待即將到來的科學。到一月為止，團隊將致力于使FACET-II的所有零件都在線化，并確保正確的能量和質(zhì)量。當團隊安裝新的實驗硬件時，用戶將并行工作，以確保一切正常工作并獲取正確的信號。
在有望于明年2月開始的第一個實驗中，研究人員將研究保持光束質(zhì)量，改善等離子體尾場加速技術(shù)以及產(chǎn)生和加速正電子的方法。他們還將開發(fā)Trojan Horse-II，這是對現(xiàn)有技術(shù)的更新，可以通過將電子“吸納”到等離子體中來產(chǎn)生強電子束。
FACET-II還可以潛在地洞察新的和出乎意料的物理學，例如伽馬射線爆發(fā)，電磁波的最活躍形式以及強場量子電動力學(QED)，它們在極端天體物理學現(xiàn)象中都起著重要作用，例如宇宙射線和爆炸的恒星。
其他科學目標包括使用某些電絕緣體代替等離子體的緊湊型尾場加速器，以及將精確測量和模擬這些強大電子束的物理特性的機器學習技術(shù)，以幫助研究人員理解和控制超短束，從而提高效率和科學性。用戶程序的生產(chǎn)力。
SLAC加速器理事會負責人Bruce Dunham說：“我們的實驗室建立在加速器技術(shù)之上，并將繼續(xù)推動該領(lǐng)域的創(chuàng)新。” “ FACET-II是一個開創(chuàng)性的設(shè)施，它將幫助我們保持在加速器科學的前沿。”
