Przełomowe badanie, w którym ponownie przeprowadzono wizytę w Narodowym Akceleratorze im. Thomasa Jeffersona (CEBAF) Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, porównuje zwiększoną wydajność i możliwości tego wyjątkowego akceleratora cząstek cztery dekady po jego koncepcji.
Przełomowe badanie, trwające od kilkudziesięciu lat, umożliwiło kompleksowe ponowne przeprowadzenie analizy porównawczej głównego akceleratora cząstek należącego do Departamentu Energii USA, należącego do Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Badanie szczegółowo dokumentuje pierwotne i ulepszone parametry operacyjne akceleratora, oferując szczegółowy wgląd w jego główne systemy, podsystemy, możliwości i ograniczenia.
Badaniami kierował Geoffrey Krafft, wybitna postać w Centrum Zaawansowanych Studiów nad Akceleratorami w Jefferson Lab i dyrektor jego Programu Edukacji w sprawie Akceleratorów. Krafft, także profesor w Centrum Nauki o Akceleratorach na Uniwersytecie Old Dominion, kierował tworzeniem tego 63-stronicowego artykułu, który skupiał się na słynnym ośrodku akceleratora ciągłej wiązki elektronów (CEBAF) w Jefferson Lab.
„Nigdy wcześniej nie zbudowano żadnego akceleratora takiego jak CEBAF. Zatem opowiedzenie, jak został zbudowany i jak działa, nie jest trywialne” – powiedział.
Unikalna maszyna do badania jądra atomu
Czterdzieści lat temu, w sierpniu 1983 roku, Kongres zatwierdził początkowe finansowanie badań, rozwoju i projektowania obiektu, który wkrótce stanie się obiektem ciągłego akceleratora wiązki elektronów. Celem akceleratora cząstek było dostarczanie wiązek energetycznych elektronów do eksperymentów z zakresu fizyki jądrowej. Każdy z tych elektronów zostanie przesłany przez maszynę w celu przyspieszenia – przyspieszenia do wyższych prędkości i napełnienia dodatkowymi energiami do 4 miliardów elektronowoltów (4 GeV). Elektrony te zostaną następnie wysłane do celu, gdzie będą oddziaływać z protonami i neutronami celu, ujawniając szczegóły struktury tych cząstek i interakcji wewnątrz zwykłej materii.
W miarę upływu lat 80. XX w. i gdy obiekt zaczął nabierać kształtu, stało się jasne, że będzie to nowy akcelerator cząstek, jak żaden inny.
Postęp w technologii akceleratorów
Po pierwsze, konstrukcja maszyny została radykalnie zmieniona w 1985 roku. Pierwotnie projekt przewidywał zastosowanie akceleratora liniowego na bazie miedzi w temperaturze pokojowej (i pierścienia rozciągającego impulsy) o energii roboczej 4 GeV. Jednak w 1985 roku pierwszy dyrektor placówki, Hermann Grunder, zdecydował się porzucić ten konserwatywny projekt na rzecz spróbuj czegoś nowego: akceleratora zasilanego technologią nadprzewodzącej częstotliwości radiowej. Spodziewano się, że ten materiał umożliwiłoby maszynie osiągnięcie jeszcze wyższych energii a także umożliwiłoby modernizację akceleratora w przyszłości.
Technologia SRF opiera się na materiale zwanym niobem, który staje się nadprzewodnikiem po bliskim ochłodzeniu absolutne zero. Dzięki temu akceleratory SRF mogą wykorzystywać niobowe wnęki akceleratora SRF do napędzania wiązek cząstek przy znacznie mniejszych stratach energii w postaci ciepła. W przeciwieństwie do istniejących wówczas akceleratorów cząstek na bazie miedzi, akcelerator SRF może dostarczać te wiązki niemal w sposób ciągły, umożliwiając badaczom wielokrotne przeprowadzanie tego samego eksperymentu bez przegrzania akceleratora.
Technologia ta okazała się obiecująca w wielu uniwersyteckich laboratoriach badawczych, ale nigdy nie została wbudowana w maszynę na dużą skalę. Obiekt kontynuował prace nad nowym projektem i w 1988 roku rozpoczęto w tym miejscu budowę.
CEBAF zaczął nabierać kształtu.
Zakończenie i wstępne operacje
Maszynę ukończono w grudniu 1993 r. wraz z umieszczeniem ostatniej sekcji akceleratora, zwanej kriomodułem. Kompletna maszyna mieściłaby dwa plus jedną czwartą modułu kriogenicznego we wtryskiwaczu maszyny, gdzie formowały się wiązki elektronów. Kolejnych 40 kriomodułów ustawiono w dwóch akceleratorach liniowych (po 20 w każdym akceleratorze liniowym), które połączono dwoma łukami. Projekt toru wyścigowego miał długość 7/8 mili i umożliwiał elektronom przebycie przez maszynę nawet pięciokrotnie, uzyskując dodatkową energię przy każdym przejściu, zanim zostałyby skierowane do hali eksperymentalnej w celu przeprowadzenia badań.
Już w 1995 r. CEBAF zbierał dane do eksperymentów z zakresu fizyki jądrowej, z których część zapoczątkowano niemal dwie dekady wcześniej. Niecałe dwa lata później wszystkie trzy hale doświadczalne CEBAF – hale A, B i C – zostały już uruchomione.
Benchmarking i wczesne sukcesy
Do 2001 roku Krafft i jego koledzy-naukowcy zajmujący się akceleratorami Christoph Leemann (który później został drugim dyrektorem Jefferson Lab) i David Douglas zebrali wystarczające informacje, aby opublikować artykuł porównawczy na temat CEBAF. „Instalacja akceleratora ciągłej wiązki elektronów: CEBAF w laboratorium Jeffersona” ukazało się w Roczny przegląd nauk jądrowych i cząstek elementarnych i od tego czasu służy jako źródło informacji na temat CEBAF. Ten artykuł w czasopiśmie technicznym zapewnił fizykom jądrowym i akceleratorom wszystko, co musieli wiedzieć o CEBAF, w tym jego kluczowe technologie, specyfikacje operacyjne i zademonstrowane możliwości.
Zaledwie kilka lat później stało się jasne, że na horyzoncie rysują się duże zmiany.
Potrzeba ulepszeń
Oryginalny akcelerator cząstek spisał się spektakularnie dobrze, przekraczając zakładany cel projektowy wynoszący 4 GeV o 50%, ostatecznie osiągając 6 GeV. Wykazano także dodatkowe możliwości wykraczające poza początkowy projekt, takie jak silnie spolaryzowane wiązki elektronów, jednoczesne eksperymenty w maksymalnie trzech halach doświadczalnych, możliwość dostarczania wiązek o niższej energii niż zaprojektowana (tzw. wiązka półprzepustowa) oraz odzyskiwanie energii.
Pragnąc dalszego wykorzystania możliwości CEBAF, fizycy nuklearni przedstawili argumenty za modernizacją maszyny, aby umożliwić osiągnięcie nowych celów badawczych w zakresie fizyki jądrowej w białej księdze opublikowanej w 2001 r.
W 2004 r. DOE uznał, że istnieje „potrzeba misji” modernizacji CEBAF. 338 milionów dolarów Projekt modernizacji CEBAF 12 GeV potroiłoby energię roboczą pierwotnego projektu CEBAF (z 4 GeV do 12 GeV) i uruchomiłoby nowy obszar eksperymentalny (hala doświadczalna D) wraz z innymi aktualizacjami umożliwiającymi większy zasięg energii. CEBAF został zamknięty w maju 2012 r. na czas większości procesu modernizacji, a pięć lat później projekt modernizacji został ukończony jesienią 2017 r.
„Należało ulepszyć i ulepszyć wiele różnych podsystemów akceleratora. Wiele sprzętu zostało odnowionych” – powiedział Krafft.
Ostatnie aktualizacje i perspektywy na przyszłość
Po modernizacji Krafft i jego współpracownicy uznali, że nadszedł czas, aby ponownie przetestować maszynę. Teraz, ponad dwadzieścia lat po opublikowaniu pierwszego przełomowego artykułu, został on zastąpiony przez artykuł „The Continuous Electron Beam Accelerator Facility at 12 GeV”, który został niedawno opublikowany w czasopiśmie „The Continuous Electron Beam Accelerator Facility at 12 GeV”. Akceleratory i wiązki przeglądu fizycznego.
W tym nowym artykule referencyjnym dokonano przeglądu oryginalnych szczegółów operacyjnych CEBAF, przedstawiono informacje na temat ulepszeń technicznych wprowadzonych do maszyny oraz porównano wydajność akceleratora CEBAF przy napięciu 12 GeV. Obecnie służy jako podręczna referencja dla obiektu użytkownika DOE Office of Science, który jest domem badawczym dla ponad 1650 fizyków jądrowych na całym świecie.
„Jest to podsumowanie osiągnięć technicznych w ramach projektu modernizacji CEBAF do napięcia 12 GeV, a także końcowe wyniki projektu” – powiedział Krafft. „Mamy nadzieję, że stanie się on standardowym punktem odniesienia dla fizyków jądrowych wykonujących pomiary w CEBAF, ponieważ zawiera pełny opis nowego akceleratora i jego charakterystyki działania, dzięki czemu będą mieli gotowe odniesienie”.
W artykule poruszono także kwestię przyszłych możliwości, wspominając o możliwościach usprawnienia działań CEBAF z uczenie maszynowerozwój nowych foton źródeł oraz wzmianki o kilku dużych projektach z zakresu fizyki jądrowej.
Czy w międzyczasie ktoś miałby pytania dotyczące CEBAF i jego możliwości, które nie zostały poruszone w artykule?
„Mogą po prostu zapytać” – dodał Krafft. „Przyjęliśmy podejście, że każdy, kto w jakiś sposób przyczynił się technicznie do projektu modernizacji, powinien być współautorem artykułu. Na papierze jest ponad 100 osób”.
Odniesienie: „The Continuous Electron Beam Accelerator Facility at 12 GeV” autorstwa PA Adderley, S. Ahmed, T. Allison, R. Bachimanchi, K. Baggett, M. BastaniNejad, B. Bevins, M. Bevins, M. Bickley, RM Bodenstein, SA Bogacz, M. Bruker, A. Burrill, L. Cardman, J. Creel, Y.-C. Chao, G. Cheng, G. Ciovati, S. Chattopadhyay, J. Clark, WA Clemens, G. Croke, E. Daly, GK Davis, J. Delayen, SU De Silva, M. Diaz, R. Dickson, L. Doolittle, D. Douglas, M. Drury, E. Feldl, J. Fischer, A. Freyberger, V. Ganni, RL Geng, C. Ginsburg, J. Gomez, J. Grames, J. Gubeli, J. Guo, F. Hannon, J. Hansknecht, L. Harwood, J. Henry, C. Hernandez-Garcia, T. Hiatt, D. Higinbotham, S. Higgins, AS Hofler, J. Hogan, C. Hovater, A. Hutton, C. Jones, K. Jordan, M. Joyce, R. Kazimi, M. Keesee, MJ Kelley, C. Keppel, A. Kimber, L. King, P. Kjeldsen, P. Kneisel, J. Kowal, GA Krafft, G. Lahti, T. Larrieu, R. Lauze, C. Leemann, R. Legg, R. Li, F. Lin, D. Machie, J. Mammosser, K. Macha, K. Mahoney, F. Marhauser, B. Mastracci, J. Matalevich, J. McCarter, M. McCaughan, L. Merminga, R. Michaud, V. Morozov, C. Mounts, J. Musson, R. Nelson, W. Oren, RB Overton, G . Palacios-Serrano, H.-K. Park, L. Phillips, S. Philip, F. Pilat, T. Plawski, M. Poelker, P. Powers, T. Powers, J. Preble, T. Reilly, R. Rimmer, C. Reece, H. Robertson, Y. Roblin, C. Rode, T. Satogata, DJ Seidman, A. Seryi, A. Shabalina, I. Shin, C. Slominski, R. Slominski, M. Spata, D. Spell, J. Spradlin, M. Stirbet, ML Stutzman, S. Suhring, K. Surles-Law, R. Suleiman, C. Tennant, H. Tian, D. Turner, M. Tiefenback, O .Trofimova, A.-M. Valente, H. Wang, Y. Wang, K. White, C. Whitlatch, T. Whitlatch, M. Wiseman, MJ Wissman, G. Wu, S. Yang, B. Yunn, S. Zhang i Y. Zhang, 15 sierpień 2024, Akceleratory i wiązki przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevAccelBeams.27.084802
