SLAC 的粒子加速器达到 -456 度的严寒，推动了从疫苗到能源网等各个领域的研究可能性

高级科学家兼 LCLS 软 X 射线部门负责人 Mike Minitti 展示了一台用于 SLAC 实验的机器。由 Magali Gauthier 拍摄。

斯坦福直线加速器中心 (SLAC) 多年来取得了革命性的发现，但其最近的发展使得门洛帕克 (Menlo Park) 下方 1 公里的延伸区域比大部分空间更冷。

高级科学家迈克·米尼蒂 (Mike Minitti) 表示，能够拍摄原子视频的超导 X 射线可以彻底改变科学，不仅在分析分子的大规模方面，而且在改进手机电池和能源网格等日常产品方面& LCLS 软 X 射线部门负责人。

既然 SLAC 已成功将加速器的温度降低到 2 开尔文或 -456 F，这些进展是可能的，这低于我们太阳系中最冷的点，即 -371 F 的天王星。

被称为直线加速器相干光源 (LCLS-II) 的超导加速器本身就是一项创新，但它也是进一步发展的先驱。

超导直线加速器物理小组的负责人丹·冈内拉(Dan Gonnella)引用了科学家分析病毒和运动分子的方式发生了变化，这些病毒和分子可能会影响日常生活。SLAC 甚至在大流行的早期阶段参与了 COVID-19 病毒的成像。

“这个设施的用户范围很广。有很多生物学工作正在进行，”Gonella 说。“还有很多材料科学可以用于新技术，一般来说，制造这些东西的技术在其他领域很有用。”

低温装置

那么它是怎样工作的?这项创新的第一步是冷却过程。为了将 X 射线保持在如此低的温度，科学家们将液氦的温度从室温降低到只有 2 开氏度，使原子几乎处于静止状态。

这是在低温装置中完成的。两吨气态氦在其运行中使用并储存在工厂外。每天有一辆液氮卡车被运送到 SLAC 进行这一过程。

幻灯片： 2022 年 5 月 13 日，低温工艺工程师 Viswanath Ravindranath 在门洛帕克 SLAC 的低温装置控制室工作。照片由 Magali Gauthier 拍摄。以前的下一个冷却过程在低温装置外部的所谓“冷箱”中开始，其中氦气与油混合以进行润滑并被压缩以开始降低温度。然后去除冷油，因为氦在进入加速器时必须是纯净的。

内部低温装置由机器楼上的控制室运行，其中 5,000 个传感器和执行器在机器和控制室之间发送信息。里面是氦从 80 开尔文冷却到 4 开尔文的地方。

世界上只有六台这样的机器，其中两台在 SLAC 的校园里。

SLAC 与多个实验室合作，包括弗吉尼亚州的杰斐逊实验室和伊利诺伊州的费米实验室。

SLAC 的两个氦冷却系统之一目前正在运行，第二个应该在今年夏天打开。

加速器

画廊长 3 公里，包含使粒子加速器平稳运行所需的所有机械。由 Magali Gauthier 拍摄。

LCLS-II 位于低温装置旁边的地下。在指挥家上方，一座名为画廊的金属建筑拥有使一切顺利进行所需的机械，绵延 3 公里，长到你看不到任何一端。

SLAC 的科学家已经拆除了 1 公里的旧铜加速器，并在其位置安装了超导加速器。

来自低温装置的液氦在流经分配箱内的一系列阀门和回路之前进入通道中的分配箱。根据冈内拉的说法，氦气从那里被推入容纳 LCLS-II 的地下隧道。

在隧道中，有 37 个橙色管，称为低温模块，负责电子的加速。每个低温模块内部都有一个由超导体铌制成的灰色结构。铌负责加速，而低温模块将氦保持在 -456 F，比冥王星低近 100 度。

“从能源的角度来看，它的效率要高得多，”Gonnella 说。“因此，与拥有旧加速器相比，建造这种加速器的好处之一就是我们可以从中得到什么。”

当 LCLS-II 开启时，它能够保持开启状态，而旧的加速器只能运行几毫秒。1公里仍在使用的旧设备如果长时间运行，它会很快过热和融化，而新设备可以运行更长的时间，不仅可以拍摄原子图像，还可以拍摄视频.

LCLS-II 以每秒 40 亿电子伏特的电压运行，并计划在未来提高这一速度。更高水平的电子伏特对应于更强的 X 射线。就上下文而言，医生办公室的 X 射线运行电压为千伏，比 LCLS-II 的千兆伏低一百万倍。

“我喜欢考虑它的方式是在医生办公室，X 光机(更小)，它可以看到你的牙齿，但在这里，它有一公里长，所以它可以看到原子，”Gonnella 说。“它是这样扩展的，你得到的越大，你就可以看到更小的东西。”

SLAC 计划在未来六年内达到 80 亿电子伏特，其工作人员已经在努力增加低温模块。

实验

高级科学家兼 LCLS 软 X 射线部门负责人 Mike Minitti 指出机器内部装有用于聚焦 X 射线的镜子。由 Magali Gauthier 拍摄。

距低温装置三英里处是 SLAC 的七个实验站之一。在这里，超导科学能够对日常生活产生影响。

“这是巨大的，因为它对于(不同)类型的能源来说意义重大，例如为您的相机创造更好记忆的前沿材料，更好的光学器件，更好，更快的计算机，”Minitti 说。“它彻底改变了我们看待病毒的方式……当 COVID 来袭时，我们得到了(美国)能源部的紧急使用来研究 COVID-19 的结构，这有助于为其中一些 RNA 研究提供信息。”

“超导技术将实现的技术是我们能够跟踪新材料中的电子或分子动力学，”Minitti 说。“这些材料将进入你的电脑，进入你的电池，所以如果我们能想出优化这种材料的方法......这会让你的电网更高效，让你的电池寿命更长。”

然而，超导技术的实验优势超越了 X 射线分析的图像。SLAC 的科学家们一直在研究在更高温度下使用超导技术来改善能源网络的方法。Minitti 说，如果有可能在更高的温度下运行同样的技术，它就可以用来减少或消除传输过程中的能量损失。就目前而言，这只能在寒冷的条件下实现。

高级科学家兼 LCLS 软 X 射线部门负责人 Mike Minitti 展示了一台用于 SLAC 实验的机器。由 Magali Gauthier 拍摄。

目前，超导需要太多能量来为自身供电。

根据 Gonnella 的说法，超导加速器的一个好处是它能够一次向多个实验发送数据。在以前的直线加速器上，X 射线运行实验总是需要很长的等待时间。随着最近的发展，更多的研究人员应该能够同时使用 LCLS-II，并且实验实验室将来可以扩展以进行更多的研究。

实验站允许科学家以影响我们对其结构的理解的方式分析分子，观察电子和原子核对能量的反应。SLAC 甚至拥有第一个可以同时组合两个自由电子激光器的实验站，观察它们如何相互作用和相互影响。根据 Minitti 的说法，该实验应该很快就会启动并运行。

SLAC 继续使用 LCLS-II 进行实验，监测原子和分子移动和相互作用的方式，让研究人员更好地了解亚原子粒子的性质。

“这重新彻底改变了自由电子和 X 射线科学的格局，所以很高兴在我们的后院拥有它，”Minitti 说。