同步加速器是什么 参观同步加速器系统 在那里电子达到接近光速

　　电磁 （EM） 辐射非常有用。它使我们能够远距离无线传输音乐，在微波炉中烹饪食物并以生动的细节观察世界。然而，现在比以往任何时候都更重要的是，电磁辐射在研究为人类带来真正突破的物理、环境和生物现象方面也至关重要。

　　从创造新的医疗药物和疫苗，到革命性人造器官的测试，再到预防疾病的发现，大规模利用电磁辐射正在扩大科学界的视野。

　　在英国，这场革命正在牛津郡的Diamond Light Source国家同步加速器设施中发生，这是一种高科技粒子加速器，以同步加速器光的形式产生大量 EM 辐射。让我们前往这个尖端科学站点，看看那里平均每天的工作情况以及目前正在研究哪些开创性的实验。

　　探索同步加速器

　　同步加速器是一个庞大而复杂的机器系统，它产生电子，将这些电子加速到接近光速，然后将它们存放在一个大的存储环中。高能电子然后连续围绕环形电路飞行，直到它们被操纵以产生非常高强度的X 射线光；这些是具有大约 3 吉电子伏 （GeV） 的电子，GeV 是一个能量单位，等于 10 亿电子伏。这是科学家可以在他们的实验中使用的光。

　　Guenther Rehm 是 Diamond 同步加速器光束线诊断小组的负责人，该小组负责确保来访的科学家需要 X 射线时，他们能够得到它。Rehm 位于 Diamond House 的办公室是一个时尚的玻璃墙综合体，该设施的大多数员工都在这里办公。要到达同步加速器设施，您必须通过安全控制的桥梁。

　　到达那里后，您会看到四个主要部分，其中第一个是电子枪。这把枪位于设施的中心，负责通过在真空中加热高压阴极来产生电子，然后迫使它们聚集在一起并压缩成紧凑的组；这是通过使电子束穿过一个有交流电场的腔体来实现的。

　　从聚束腔，一束压缩的电子束进入直线加速器。同步加速器的这部分使用一系列电场来迫使压缩的电子束加速到接近光速和高达 100 兆电子伏 （MeV） 的电荷水平。从这里，加速的电子束被注入助推器同步加速器。

　　助推器同步加速器就在直线加速器旁边。它是一个 518 英尺（158 米）的 O 形不锈钢真空管，周围环绕着磁铁，位于同步加速器的存储环和其他设施内。这个较小的同步加速器接收电子，然后在 36 个偶极磁铁的帮助下，在真空电路周围弯曲它们，同时将它们进一步加速到必要的 3 GeV 提取能量。电子束几乎以光速行进并携带着大量的能量，最后被注入同步加速器的存储环。

　　存储环在构造和用途上都与增强环相似，但规模要大得多：该环是一个 48 边的多边形，跨度超过 1,800 英尺（560 m）。幸运的是，电子拥有如此巨大的能量，它们可以在百万分之二秒内完成整个过程。相比之下，这是在短短 1 秒内绕地球赤道的 7.5 倍。为了让物体保持运动，巨大的环由带电电子在其中移动的真空和一系列磁铁组成，包括偶极弯曲磁铁以在电路周围操纵光束，四极磁铁和六极磁铁以确保准确的光束聚焦和位置. 该环还装有称为插入装置 （ID） 的特殊磁铁，用于操纵电子以产生同步加速器光。

　　ID 是同步加速器的真正恒星，能够让通过的电子在环的直线部分周围振荡。结果，产生了超强的X射线。因为这些 ID 非常重要，所以它们总是放置在任何光束线的前面——来自进行实验的环的分支。电子进入设备，振荡并产生 X 射线。当电子被偶极磁铁抛到存储环更远的地方时，光子继续沿着光束线直接向下用于实验。

　　保持控制

　　接下来，您将到达光束线中央控制。一个宽敞的大房间，可俯瞰扩建设施的大约三分之一，该区域摆满了主要的显示器；在那里，诊断小组的两名成员运行计算机系统。Rehm 解释说，同步加速器的日常操作是高度自动化的，因此人员配置最少。然而，由于涉及创建和维持高能电子束的系统极其复杂，实际的人类必须监控复合体的状态。

　　在任何时候，一个名为 EPICS：实验物理和工业控制系统的软件程序都会监控存储环中的光束。这允许通过环内的各种传感器、监视器和摄像机可视化不可见光束的特性。

　　Rehm 证明，在短短 10 多分钟的时间内，存储环中的成束电子不可避免地会损失掉。这是由于碰撞和残留的气体分子，以及通过插入装置产生同步加速器光和偶极磁铁弯曲造成的能量损失。为了保持最佳光束稳定性和同步加速器光质量，电荷会定期自动增强。观看 EPICS 中的实时图表，您可以看到环内的整体电荷水平如何下降，然后恰好在 10 分钟后返回到其起始水平。

　　这种提升不仅是自动的，而且系统实际上可以瞄准电子束中丢失电子的部分；Rehm 说，这使得能量在环周围始终均匀、稳定地分布以产生光。这个系统真的很了不起，当耗尽的电子束以几乎光速飞过存储环时，它们能够平稳地将额外的电子注入到耗尽的电子束中。

　　顺着光束线往下看

　　移动到设施的中心，您将进入同步加速器的海绵状主房间。当站在高架桥上，向两侧伸展时，您会看到弯曲的广阔区域和许多同步加速器的独立光束线，从混凝土环中分出。这是设施的存储环，它被包裹在厚厚的、防辐射的混凝土屏蔽内。混凝土环的顶部是一条黄线，用于标识内部电子束的实际路径。据该设施的导游说，一个人可以在混凝土上躺一整年，所受的辐射仅比标准背景辐射增加约 50％。简而言之，很少有辐射会逸出环。

　　夹在两条光束之间的是一个黑色的小房间。一进门，您会发现一张大桌子，里面摆满了机器、管道、光学器件和电缆。在这后面，墙上开了一个小洞。这是光学诊断舱，它允许支持科学家探索存储电子束的时间结构，揭示其填充模式——每个电子束中有多少电荷。

　　处理光线

　　了解同步加速器的工作原理是一回事，但它在现实世界中能做什么呢？Nick Terrill 是小角度散射和衍射光束线（也称为 I22）的主要光束线科学家。在许多其他例子中，Terrill 描述了一个团队最近如何使用 I22 来测试新的聚合物材料人造心脏瓣膜。该团队构建了一个微型装置来拉伸瓣膜以重现心跳的效果，然后使用同步加速器的高能 X 射线光源在长时间内以连续分辨率对聚合物瓣膜的内部结构进行成像。这些类型的聚合物瓣膜很快将成为有问题的机械和动物植入瓣膜的常见替代品。

　　绕同步加速器的外部走道走一小段路到达光束线 I24 后，您会遇到微焦点大分子晶体学站。I24 由 Diamond 的高级支持科学家 Danny Axford 担任工作人员，他解释了该团队如何研究膜蛋白，探索它们的结构——这对于创造新药等应用很重要。

　　在 I24 的实验室内，您会看到液氮储罐、成像传感器、机械臂、同步加速器光聚焦光学器件和样品阵列。借助该阵列，科学家们可以在室温下对成排的晶体进行成像。这非常有用，因为成像过程中产生的热量会损坏晶体，因此快速捕获它们的结构至关重要——因此为什么许多样品被低温冷却。

　　下一个停靠点是小分子单晶衍射光束线 （I19），通过衍射技术对各种结晶样品进行分析，样品用于涉及从癌症到储氢的所有项目。I20 的隔壁是令人印象深刻的多功能 X 射线吸收光谱光束线，由主要光束线科学家 Sofia Diaz-Moreno 运行。

　　这条光束线比其他任何一条光束线都要大得多，它有两个实验舱，它们共享这条线，以实现不同类型的光谱分析。这种类型的分析可以对催化剂中的化学成分进行成像——即使浓度非常低。这种在原子水平和微秒时间尺度上对反应过程进行成像的能力确实令人兴奋，它使科学家能够以前所未有的方式了解诸如催化剂、金属蛋白（含金属离子的蛋白质）和有毒材料等事物。

　　与电子束赛跑

　　最后一站：在储物环的屋顶上漫步。从光束线水平上升回到一楼并穿过金属门架朝向设施中心，您将停下来直接踏上存储环的混凝土屋顶，然后沿着设施周围的黄色光束线标记。

　　绕环走一圈需要将近 10 分钟——比高带电电子绕着环快速旋转所需的百万分之二秒要慢得多。