美下一代加速器遭遇“有价无市”尴尬

资料来源:康奈尔大学

加速器物理学家有一个愿景，那就是使用节能的X射线源来拍摄分子化学反应的高分辨率图像。国家科学基金会(NSF)一直支持这个梦想，自2005年以来，NSF已经投资超过5000万美元来开发这种X射线源，它最有可能是在纽约伊萨卡的康奈尔大学建造的。

然而，这里有一个棘手的问题:除了大量资金流入之外，目前没有一个美国*机构负责制定制造这种机器的计划。

这台机器被称为能量回收线性加速器(ERL)，它结合了同步加速器的性能——电子被束缚在储存环周围，使其发射出用于材料成像、化学反应产物鉴定和晶体结构测定的X射线。

康奈尔项目从国家科学基金会材料部获得了2700万美元的奖金，这是该部迄今为止对研究项目的最大资助。2013年7月，在美国能源部顾问小组发布的一份报告中，ERL是三个潜在的下一代x光源中的最后一个。去年12月，国家科学基金会官员表示，该机构目前没有推进ERL建设的计划。

然而，美国国家科学基金会ERL项目主任托马斯·里克说，这项研究取得了巨大成功，其中所包含的设计理念可以指导机器建设工作迅速完成。里克补充道:“我们希望有更多的选择。这是我们资助ERL的动机。”

国家自然科学基金咨询委员会强烈建议国家自然科学基金在2008年投资ERL项目。为什么国家科学基金会现在改变了态度？国家科学基金会官员表示，该机构设立的优先研究项目已经改变，预算环境不如以前好了。这台机器预计将耗资超过10亿美元，在纳税人看来不是最佳选择。

一些物理学家对如此多的研究资金毫无用处表示失望。圣地亚哥加州大学凝聚态物理学家苏尼勒·辛哈说:“国家科学基金会应该决定是否真的需要在美国建造ERL。”

能量回收的概念是由康奈尔大学物理学家莫里·蒂格纳在1965年首次提出的。这个想法包括将电子注入线性加速器，之后振动的粒子使其发出x光脉冲。它的基本原理是让已经被线性加速器加速和使用的电子束通过旋转的束传输通道，然后返回到加速器入口，以便电子束的能量以电磁波的形式返回到加速结构，用于下一个新束的加速。

这个加速器有几个优点。与*电子激光器相比，它更高效节能。这使得电子能够连续流动，而不是以广泛分散的电子束模式分布。此外，ERL具有稳定性好、辐射水平低的优点，越来越多地应用于先进光源和*电子激光装置。

日本和美国对建设ERL表达了强烈的兴趣。弗吉尼亚州纽波特纽斯的托马斯·杰弗逊国家加速器实验室也开发了ERL装置的小型红外版本。然而，康奈尔计划仍然是美国最先进的ERL研究项目。

分配文件强调，ERL项目不限于某一特定地点，这意味着最终施工地点可能会根据项目要求而改变。然而，大多数科学家预测，如果ERL建设开始，地点仍将是康奈尔大学，因为现有的国家科学基金会资助的X射线源(即康奈尔高能同步辐射源)通道可以重复使用。康奈尔项目负责人、加速器物理学家乔治·霍夫施塔特说:“我们希望ERL的建设能够继续下去。”

ERL的功能将与其他几个计划光源的功能重叠。能源部计划在加州建造一台*电子激光器——可能是通过升级位于加州门罗公园的SLAC国家加速器实验室的线性连续加速器光源。这台机器将以前所未有的高分辨率呈现材料图像，并使用高能x光的快速脉冲。

ERL发射的X射线脉冲不是特别快，但它更稳定，几乎是连续的——更适合探测高灵敏度的物体，如生物样本。下一代圆形光源，如伊利诺伊州芝加哥附近先进光子源的升级计划，也将能够产生持续的光源。与ERL相比，它的光源亮度和能量较低，但这种X射线源在生物成像领域仍然发挥着巨大的作用。

威斯康星大学的材料科学家保罗·埃文斯说，能源部发展其他研究项目的决定将使ERL的建设更加遥远。

尽管ERL还没有完成，科内尔的科学家说，研究工作已经取得了显著的成果。这项研究有助于能源部*电子激光器的设计。激光也有望在未来实现能量回收循环。该团队的科学家还开发了一种高电流电子枪——这种电子枪可以应用于其他加速器来产生x光或研究粒子碰撞。

尽管一些科学家对目前的情况表示满意，霍夫施塔特仍然没有放弃建造ERL的努力。“在ERL投资是一个明智的选择，”他说。(段鑫)

中国科学新闻(2014-008第三版国际版)