SLAC国家加速器实验室

美国著名的斯坦福直线加速器中心(StanfordLinearAcceleratorCenter,简称SLAC)成立于1962年，2008年10月改名为SLAC国家加速器实验室(SLACNationalAcceleratorLaboratory，简称仍为SLAC)。SLAC位于美国西部加利福尼亚州著名的斯坦福大学(StanfordUniversity)内，直属美国能源部，由有着“西部哈佛”之称的斯坦福大学和美国核管理委员会NRC(NuclearRegulatoryCommission)双重管理。现有职工1300人，其中从事实验的科学家有300人。近50年来，SLAC一直从事自然界基本规律的探索，取得了许多重大发现，揭示了许多自然界的秘密。SLAC已由主要从事粒子物理研究的实验室逐步发展成为一个从事天体物理、光子科学、加速器和粒子物理等多学科研究的综合实验室。

中文名：SLAC国家加速器实验室

外文名：SLACNationalAcceleratorLaboratory

简称：SLAC

1、机构简介

SLAC国家加速器实验室

美国著名的斯坦福直线加速器中心(StanfordLinearAcceleratorCenter,简称SLAC)成立于1962年，2008年10月改名为SLAC国家加速器实验室(SLACNationalAcceleratorLaboratory，简称仍为SLAC)。

SLAC位于美国西部加利福尼亚州著名的斯坦福大学(StanfordUniversity)内，直属美国能源部，由有着“西部哈佛”之称的斯坦福大学和美国核管理委员会NRC(NuclearRegulatoryCommission)双重管理。现有职工1300人，其中从事实验的科学家有300人。近50年来，SLAC一直从事自然界基本规律的探索，取得了许多重大发现，揭示了许多自然界的秘密。SLAC已由主要从事粒子物理研究的实验室逐步发展成为一个从事天体物理、光子科学、加速器和粒子物理等多学科研究的综合实验室。

2、任务构想

SLAC的构想：通过率先研制和运行一些大科学装置，在探索科学前沿问题中成为领导者，以造福国家和人类。

SLAC的任务：通过加速器和有关的项目，出色的用户装置和颇具价值的合作伙伴，以最快的过程和最高的能量，在最小和最大尺度探索物质的最终结构和和动力学以及能量、空间和时间的特征。

支持SLAC活动的基本核心能力是：

·基于电子加速器的研究和技术;

·先进的仪器、诊断和系统集成;

·用来在光子科学、粒子物理和粒子天体物理数据分析、建模和模拟的理论和创新技术;

·为用户和分布在世界范围内的合作管理超大型数据集。

3、科学装置

SLAC的直线加速器

SLAC的发展以大科学装置的建设为基础，逐步扩大规模，逐步扩大研究领域。

直线高能电子加速器SLACLinac

1957年，美国的科学家们开始酝酿在斯坦福校园内建造一个直线高能电子加速器，该项目1961年终于获得美国国会批准，1962年7月开始建造。1966年2月加速器和实验区完工，1967年9月按计划不超支顺利完成建设，成功获得20GeV电子束流。

SLAC的科学家们用加速器产生的电子来探索质子和中子的结构，发现了质子中称为“夸克”的新的更小的粒子。为此，美国麻省理工学院的物理学家弗里德曼(JeromeI.Frierdman)、肯德尔(HenryW.Kendall)和斯坦福大学的加拿大物理学家理查德·泰勒(RichardE.Taylor)获得了1990年诺贝尔物理学奖，表彰他们在20世纪60年代末、70年代初对于电子与质子及束缚中子深度非弹性散射进行的先驱性研究对夸克模型发展起了重要作用。

正负电子加速环SPEAR

1963年，SLAC准备建造一个正负电子对撞束储存环，开始时的设计方案为单环加速器。1969年，该设计进行了改进，提出建造双环非对称加速器，即“斯坦福正负电子非对称环”SPEAR(StanfordPositronElectronAsymmetricRing)。当费用未能落实后又回到单环方案，但首字母缩略词SPEAR仍保存下来。修改过的单环方案一度被称为“SPEAR1/2”，但此名称未予保留。

1970年，斯坦福正负电子加速环SPEAR(StanfordPositronElectronAcceleratingRing)启动建设，1972年开始运行，物质与反物质实验开始，从而开始了一个粒子对撞的新时代。当时所需经费未获单独拨款，由SLAC的运行费中支付。

科学家们在该加速器上开展了许多高能物理实验，其中两项尤为突出。1974年，伯顿·里希特(BurtonRichter)领导的实验小组在SPEAR上利用复杂的探测器开展物质与反物质的对撞研究。当这两种类型的粒子对撞时，它们在小的爆炸中消失。在这一过程中，该实验小组发现了一种以前未知的基本粒子，称为“y”的粒子，它由夸克和反夸克组成。此粒子发现前，仅知有三种类型的夸克，这一新夸克(称为粲夸克)的发现，令人信服地证明对物质夸克亚结构的基本想法是对的。与此同时，丁肇中领导的实验小组也在布鲁克海文国家实验室也发现这一粒子，称为“J”粒子。为此，伯顿·里希特和丁肇中被授予1976年诺贝尔物理学奖。

1975年，马丁·刘易斯·佩尔(MartinLewisPerl)利用同一加速器做物理实验，发现正负电子对撞后产生的称为τ的新粒子，该粒子属于第三代轻子。第一代轻子是1897年发现的电子，第二代轻子是1937年发现的μ。为此他荣获1995年诺贝尔物理学奖。

SPEAR正负电子对撞示意图

同步辐射光源SSRL

1973年，斯坦福同步辐射工程SSRP(StanfordSynchrotronRadiationProject)启动，在正负电子加速环SPEAR的基础上建设同步辐射实验设施。

SSRP于1977年竣工，成为斯坦福同步辐射光源SSRL(StanfordSynchrotronRadiationLightsource)。在此之前，SLAC一直以粒子物理实验为主，此后，同步辐射实验成为SLAC的重要工作内容，开展的研究包括：结构生物学、遗传和分子生物工程、传感器和传感信息处理、环境支撑技术、光学技术等。

1990年，SPEAR成为具有自己独立的注入器的专用同步辐射装置。1992年，SSRL成为SLAC的一个研究门部。

对于SLAC的3GeVSPEAR环这样的储存环磁场中弯转的高能电子来说，辐射非常强，波长范围广，从红外线到可见和紫外线范围，进入电磁波谱的软硬X射线部分。同步辐射束流中的光子与其他源产生的相同波长的光子一样，但同步辐射束流具有像强度高、光谱范围广、准直、极化、脉冲-时间结构、部分相关性和高真空环境等特殊的性质。

SSRL由斯坦福大学为美国能源部进行运作。它是一个国家用户装置，其经费主要由能源部基础能源科学局及生物和环境研究局提供，另外也从国立卫生研究院、国家研究资源中心、生物医学技术计划以及国立综合医学研究所得到经费支持。

同步辐射X射线特别适于研究许多材料，原因是它们的大小正好能够穿透材料，而且一旦它们穿透材料后，能够与材料的组成部分发生相互作用。有两种类型的X射线相互作用提供结构信息、散射和吸收。

SPEAR1990年以后完全专用于SSRL，一年内约有9个月为用户运行，有32个实验站供来自大学、工业部门、*实验室和国外研究机构的用户进行实验。接近有100家美国公司利用过SSRL。工业界的科学家和工程师们，不顾远离他们家乡实验室开展大量实验的费用，竞争束流时间，继续在SSRL积极开展实验。以大学为基础的活跃的研究吸引来自化学、生物学和医药部门的用户以及物理学家们，每年用户的数量都有所增加。

SPEAR经历了几次升级改造，SPEAR3于2004年开始运行，SSPL性能得到大幅度提高，成为第三代同步光源。

SSRL制订了一个长期发展规划，建设性能更好的同步光源PEP-X。在B粒子工厂PEP-II的现有隧道建设两个同步辐射实验厅，每个厅包含16条X射线束线。运行参数为4.5GeV和1.5A，水平发射度0.14纳米·弧度，使用90米的扭摆器，PEP-X将具有比现有以及未来计划中的储存环光源高一个量级的平均亮度和通量，相关的研究正在进行中。

正负电子对撞机PEP与直线对撞机SLC

SPEAR的环直径仅73米，所达到的能量受到限制，对撞产生的粒子数目有限。1980年起，SLAC又建造了两台加速器，即正负电子对撞机PEP(PositronElectronProject)和斯坦福直线对撞机SLC(SLACLinearCollider)。

PEP的储存环相当于SPEAR的10倍，直线加速器的能量改进后，1980年正负电子对撞的数量是SPEAR的几倍。许多科学家利用此设备对以前实验中发现的粒子特征和行为进行了长达10余年的详细研究。

1983年SLAC开始动工建造3.2公里长的斯坦福直线对撞机SLC，这是世界上第一台直线对撞机。它利用SLAC原有的50GeV的直线加速器，正负电子束流分别经过两个弧形传输线进入对撞区，1989年实现了对撞，获得50GeV正负电子束流，验证了直线对撞的原理。大型探测器SLD(SLACLargeDetector)在该加速器上所做的实验，对了解宇宙法则做出了许多重要贡献。

SPEAR3隧道

B粒子工厂PEP-II

SLAC从1994年起对PEP的储存环进行改进，改进后的PEP-II称为B粒子工厂，使更多的正负电子发生对撞，产生B介子和反B介子。该工程总造价17.7亿美元，包括建造大型探测器BaBar的费用在内。1997年第一个束流注入B工厂，1998年首次实现粒子对撞，主要进行物质反物质研究。1999年，B工厂1200吨重的大型探测器BaBar投入运行，记录了第一批事例。BaBar探测器用来研究PEPII储存环产生的数百万的B介子。BaBar合作组由来自10个国家75个研究机构的约600名科学家和工程师组成。

2001年7月6日，由美国、加拿大、中国、法国、德国等9个国家75个研究机构参与的国际合作组宣布，发现B介子和反B介子衰变速率有差别，证明了“电荷宇称不守恒”现象，这是一种确定宇宙中物质多于反物质现象的可能解释。2008年，PEP-II和BaBar在运行9年后关闭。

国际网

国际网

1991年，SLAC启动国际网，至此北美的第一个网站建立，并在SLAC运行。SLAC网站向物理学家们展示

出网的潜力，粒子物理界人士可以更容易地进入非常繁忙的科学文献数据库，网络从此逐渐传遍整个世界。

最终聚焦测试束流装置FFTB

SLAC最终聚焦测试束流装置FFTB(FinalFocusTestBeam)建于1993年，是一个包括俄罗斯、日本、德国以及美国建造的磁铁和其他光束元素的国际合作项目。其目的是要探讨直线对撞机对撞点束流稳定的因素。

下一代直线对撞机试验加速器NLCTA

国际直线对撞机(ILC)是国际上提出的未来国际粒子加速器。它将使正负电子之间产生高能粒子对撞。下一代直线对撞机试验加速器NLCTA(NextLinearColliderTestAccelerator)项目1996年启动。NLCTA是一个小型加速器，是国际直线对撞机(ILC)的设计原型研究装置。

直线加速器相干光源LCLS

2009年4月，直线加速器相干光源LCLS(LinacCoherentLightSource)在SLAC诞生。这个巨型激光器长130米，由2英里长的直线加速器的最后一公里将电子能量从4.3GeV加速到13.6GeV，每次启动装置需花2小时。该装置建成耗时3年，而从计划提出到完成开工准备历时几乎10年。

*电子激光器从高能电子束获得能量，这些高能电子通过一个交替极性的磁体阵列(波荡器)，利用磁场控制电子的来回路径，并且释放光能。LCLS是世界上第一个发射硬X射线的*电子激光器，输出波长在0.15～1.5nm之间可调谐，输出脉冲宽度可达80fs，每个脉冲包含10万亿个X射线光子。LCLS已经对科学家们开放，这将极大地推动科学技术的进步。

为了满足各种应用需求，LCLS的输出可以在原子、分子和光科学领域的不同设备之间进行切换，这些设备包括光学聚焦和气体传输系统，可与LCLS的电子、离子和光子谱仪同步的高功率激光器，X射线相关光谱仪，X射线光泵浦-探测仪器，相干X射线成像仪，软X射线材料科学仪器，以及物质在极端条件下运行需要的一些仪器。

加速器科学和实验测试束流装置FACET

加速器科学和实验测试束流装置FACET(FacilityforAdvancedaCceleratorExperimentalTests)利用正负电子短的强脉冲形成一个被称为等离子体尾场加速器的加速源来研究等离子体加速。

FACET将对SLAC的加速器部件重新定位、整修和升级,在直线加速器的20节给新的装置提供束流。目标是为等离子体韦克菲尔德加速器研究提供高品质束流。该设施将安装在LCLS注入器的上游，使用现有2公里直线加速器，将电子和正电子加速至23GeV能量，在现有直线隧道的20节处建立一个新的实验区。美国能源部2008年已批准了FACET项目建议。