作者:段歆涔 来源:中国科学报 发布时间:2014-1-8 9:37:23
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X射线源“无家可归”
美下一代加速器遭遇“有价无市”尴尬

图片来源:康奈尔大学
 
加速器物理学家有这样的愿景:利用高能效的X射线源拍摄出分子化学反应的高分辨率图像。美国国家科学基金会(NSF)一直支持这样的梦想:自2005年起,NSF已投入超过5000万美元用于开发这种X射线源,且该X射线源最有可能修建在纽约州伊萨卡市康奈尔大学内。
 
但这里却存在一个棘手的问题:除了大笔资金流入,目前尚无任何一家美国政府机构负责制定建造这台机器的计划。
 
这台机器被称为能量回收型直线加速器(ERL),综合了同步加速器的性能——电子被束缚在储存环周围,以促使其发射X射线,用于材料成像、识别化学反应产品和确定晶体结构等。
 
康奈尔项目目前接受了一笔来自NSF材料部门2700万元美元的奖金,这是该部门迄今为止针对研究项目最大数额的资助。2013年7月,在美国能源部顾问小组出台的一份报告中,ERL设想位列3个潜在下一代X射线源的最后。12月,NSF官员表示,该机构目前没有推进ERL建设的计划。
 
尽管如此,NSF的ERL项目主管Thomas Rieker说,该研究已经取得了巨大成功,其所包含的设计理念可以指导机器建造工作快速完成。Rieker补充道:“我们希望有更多的选择。这是我们资助ERL的动力。”
 
NSF顾问委员会曾于2008年强烈建议NSF投资ERL项目。为何NSF现在的态度有所转变?NSF官员表示,该机构确立的优先研究项目已发生变化,预算环境也不如从前,而这台预计耗资超过10亿美元的机器在纳税人眼中并不是最佳选择。
 
如此多的研究经费不知流向何方,一些物理学家表达出失望情绪。加州大学圣地亚哥分校凝聚态物理学家Sunil Sinha说:“NSF应该确定,美国是否有建造ERL的真实需要。”
 
能量回收的概念最早由康奈尔大学物理学家Maury Tigner于1965年提出。该设想包括将电子注入直线加速器,之后振动粒子促使其发射X射线脉冲。它的基本原理是,让已被直线加速器加速和使用过的电子束经过回转的束流运输通道,再返回到加速器入口,从而使电子束的能量以电磁波的形式返还给加速结构,用于下一个新束团的加速。
 
这种加速器具有几大优势。和自由电子激光相比,它更高效节能。这使得电子能持续流动,而非以广泛分散的电子束形态分布。此外,ERL具有稳定性好、低辐射水平等优势,被越来越多地应用到先进光源和自由电子激光设置中。
 
日本和美国均曾表达出建造ERL的浓厚兴趣,弗吉尼亚州纽波特纽斯市托马斯杰斐逊国家加速器实验室也研发出ERL装置的小型红外线版本。但康奈尔计划仍是美国最先进的关于ERL的研究方案。
 
拨款文件中强调,ERL项目并不局限于某个特定选址,这意味着最终建设地点可能根据项目要求而变更。但大多数科学家预测,如果ERL建造工作开始进行,地点仍会选在康奈尔大学,因为这里可以再次利用现存的由NSF资助的X射线光源(即康奈尔高能同步加速器源)通道。康奈尔项目领导者、加速器物理学家Georg Hoffstaetter说:“我们希望ERL的建设工作能一直往前走。”
 
ERL的功能将和其他几个计划中的光源的功能重叠。能源部计划在加州建造一台自由电子激光器——可能通过升级加州门洛帕克SLAC国家加速器实验室的直线性连续加速器光源来实现。这台机器将以空前的高分辨率呈现材料的图像,并使用高能X射线的快速脉冲。
 
ERL发出的X射线脉冲并不是特别快速,但其稳定性更强,且几乎是持续不间断的——更适用于探测敏感度高的物体,诸如生物标本。下一代的环形光源,例如计划升级的伊利诺伊州芝加哥市附近的先进光子源,也将能产生持续的光源。和ERL相比,它的光源亮度和能量较低,但这类X射线源在生物成像领域仍发挥巨大作用。
 
威斯康星大学麦迪逊分校材料科学家Paul Evans说,能源部计划发展其他研究项目的决定,将使得ERL的建造工作更遥遥无期。
 
尽管ERL还未建成,康奈尔项目的科学家表示,研究工作已取得了显著成效。这一研究有助于能源部计划研发的自由电子激光器的设计工作,该激光器也有望在未来实现能量回收循环。该团队的科学家还研制出一种大电流电子枪——可应用于其他加速器以产生X射线或研究粒子碰撞。
 
尽管一些科学家对现状表示满意,Hoffstaetter仍不放弃建造ERL的努力。他说:“投资ERL是一个明智的选择。”(段歆涔)
 
《中国科学报》 (2014-01-08 第3版 国际)
 
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