全球同步加速器展开终极大决战

瑞典马克斯四号同步加速器的磁铁照片:丹麦丹菲斯克

每天，在世界各地的数十个同步加速器中，电子被束缚在储存环周围，使其发射出用于材料成像、化学反应产物鉴定、晶体结构测定等的X射线。

然而，光子科学家不想停留在旧的储存环阶段。十多年来，他们一直梦想着“终极”储存环——利用特殊磁铁产生x光。

目前，伊利诺伊州阿尔贡国家实验室的高级光子源研究人员正在采取措施开发这项技术。在这个过程中，他们希望在这一领域的研究和发展中处于领先地位，并超越几个国际设备已经取得的成就。

在瑞典，马克斯四世开创了终极存储环技术。马克斯四号位于隆德市，是一个528米圆的同步加速器。2006年，科学家们首次试图通过更紧密地聚焦电子束来增加同步加速器X射线的强度和亮度。这种设计依赖于一种由7个磁铁组成的装置，称为多曲面消色差透镜，它可以放置在储存环周围的20个位置，推动电子束的移动路径，直到电子束可以基本整齐地排列。该机器的负责人米凯尔·埃里克森(Mikael Eriksson)回忆说，很少有人相信该设备如此强大。

8月29日，在网上发布的一份报告中，阿尔贡实验室的研究人员描述了他们是如何期望将APS升级为1.1公里周长的多曲面消色差透镜。美国物理学会理事布莱恩·斯蒂芬森说:“一项革命性的新技术已经出现。”

目前的储存环最多只有一个双曲面消色差透镜——包括两块磁铁，而不是七块。物理学家已经想象到，磁铁越多，电子束就越不稳定，因为电子束弯曲得太多，并且受到太多的波动。然而，马克斯四世的工作表明，非常紧凑的磁铁可以缩短弯曲的路径，以防止波动。

APS由美国能源部资助。能源部表示将继续支持该计划。今年7月，美国能源部咨询委员会的一名成员表示，与其他国家推动终极储存环研究的努力相比，美国实验室落后了。咨询委员会还建议开发下一代x光激光器，以记录化学反应中的分子变化。然而，这种x光激光有一些局限性:它的强光脉冲峰值会破坏精细材料。相反，最终的存储环可以提供更平滑的光脉冲峰值。

研究人员说，通过绘制变化的化学过程，这些储存环可以完全改变x光成像。目前，由于电子束中没有足够的配位光子，X射线源的亮度不足以跟踪纳米和纳秒分辨率材料的变化。最终的储存环将改变这一限制。威斯康星大学的材料科学家保罗·埃文斯说:“我们将会有一个全新的局面。”例如，储存环可以用来研究在电池内部的材料界面上发生了什么化学和电学变化。

APS正在寻求进一步升级之前公认的终极存储环技术。成本计算正在进行中，斯蒂芬森希望在不增加成本的情况下包括多曲面消色差透镜(目前的预算是3.91亿美元)。马克斯四世正在实施的技术成本只有3.4亿瑞典克朗(5200万美元)，但储存环较小，这一数额不包括日常开支。

升级后，APS将超过MAX IV，并接近最集中光束的理论极限。瑞典的同步加速器包括20个多曲面消色差透镜，而升级APS需要大约40个多曲面消色差透镜。2012年，美国加州门洛帕克的SLAC国家加速器实验室的物理学家说，在不从根本上破坏电子束的情况下，围绕更大存储环的多曲面消色差透镜的数量可以增加。“关键是要让弯曲变得更加平和，”梁物理研究所所长蔡说。

与APS相似，位于法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射实验室(ESRF)也选择了升级多弯曲消色差透镜。去年10月，一个工作组得出结论，这项技术是负担得起的。ESRF总干事弗朗切斯科·塞特说，这位加速器物理学家的工作表明，多弯曲消色差透镜可以与机器现有的喷射装置(一天几次向主环提供额外的电子)一起工作——他认为需要一种新的喷射装置。塞特说:“我们现在正全力投入这项工作。”

巴西和日本的储存环也将升级为多弯消色差透镜。预计将于2015年完工的MAX IV将很快面临竞争。

有人认为粒子物理隧道最终可以变成多曲面消色差透镜的光源。SLAC有一条周长2.2公里的闲置隧道。它最初放置了一个粒子加速器来比较物质和反物质的衰变率。一个6.3公里长的隧道被现在已经关闭的粒子加速器(伊利诺伊州巴达维亚附近的费米国家加速器实验室)占据，这是另一个可供选择的位置。埃里克森说，考虑到科学预算，瑞典建造这种规格的终极储存环是不现实的。

埃里克森知道瑞典不会在这个领域走在前列太久。看到其他国家正在采用他和他的同事热情倡导的技术，埃里克森感到矛盾。他说:“我们都很开心，也感到有些遗憾。”

(段鑫)

中国科学新闻(2013-09-19第三版国际版)