同步加速器的原理，同步加速器工作原理

如上图所示，英国钻石光源实验室就是英国国家同步加速器。

电磁波非常有用。这使您可以远距离无线传输音乐、在微波炉中烹饪食物并清晰地看到世界的细节。但电磁辐射在物理、环境和生物现象的研究中也比以往任何时候都更加重要，这可以带来真正的突破。从发明新药和疫苗，到试验创新的人造器官，再到预防疾病的发现，电磁辐射的大规模使用正在扩大科学界的视野。在英国，这场革命正在牛津郡的钻石光源国家同步加速器设施中进行。该设施是一个高科技粒子加速器，能够以同步加速器光的形式产生大量电磁辐射。参观一下这个最先进的科学基地，看看这里的日常工作是什么样的？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大型、复杂的机械系统，它产生电子，将它们加速到接近光速，并将它们存储在大型存储环中。高能电子继续围绕环形电路飞行，直到它们被操纵产生极强的X 射线。这些电子的能量约为3 吉电子伏(GeV)，这是相当于10 亿电子伏的能量单位。这是科学家可以用来进行实验的光。 Gnther Rhm 负责钻石同步加速器光束诊断小组，该小组确保来访的科学家在需要时能够获得X 射线。雷姆(Rem) 在钻石大厦(Diamond House) 的办公室是一座时尚的玻璃墙综合体，大部分员工都在这里工作。要到达同步加速器辐射设施，您必须穿过一座安全维护的桥梁。到达那里后，您将看到四个主要部分。第一部分是电子枪。电子枪位于设备的中心，通过在真空中加热高压阴极来产生电子，然后迫使电子聚集在一起并将它们压缩成密集的电子群。这是通过使电子束穿过作用有交变电场的空腔来实现的。压缩电子束从聚焦腔进入直线加速器。同步加速器的这一部分使用一系列电场将压缩电子束加速到接近光速，达到100 兆电子伏(MeV) 的电荷水平。从这里，加速的电子束入射到助推同步加速器上。

上图：这是同步加速器的六极磁铁之一，负责消色差校正并维持设施存储环内稳定的电子轨迹。

助推同步加速器安装在直线加速器旁边。 O型不锈钢真空管周围附有磁铁，该真空管总长158米，安装在同步加速器的存储环内。这个小型同步加速器接收电子并将它们加速到所需的3GeV 提取能量，同时借助36 个偶极磁铁将它们弯曲在真空电路周围。电子束以接近光速的速度传播，并在注入同步加速器的存储环之前携带惊人的能量。储存环的结构和用途与助推环类似，但规模更大：该环是一个48边形的多边形，跨度超过560米。幸运的是，电子拥有如此多的能量，它们可以在百万分之一秒内快速完成整个过程。相比之下，它每秒绕地球赤道运行7.5 圈。为了保持物体移动，这个巨大的环依靠带电电子在其中移动的真空、一个偶极偏转磁铁来引导光束绕电路旋转，以及四个确保精确的光束聚焦和位置。它由一系列磁铁组成，包括磁极磁铁和六极磁铁。该环还有一个称为插入装置（ID）的特殊磁铁，用于控制电子并产生同步加速器光。

上面所示的钻石光源插入装置的放大图。

ID 是同步加速器真正的恒星，允许通过的电子在环的直线部分来回摆动。结果就是超强X 射线。这些ID 非常重要，因此它们始终放置在进行实验的环中光束线的起点处。电子进入设备并振动以产生X 射线。实验中使用的光子继续沿着束线直线传播，而电子则被偶极磁铁沿着存储环吹得更远。

保持在控制范围内接下来，到达光束中央控制室。这是一个大房间，可以俯瞰约三分之一的扩建设施，也是主要显示器排列的区域。在那里，诊断小组的两名成员正在运行计算机系统。莱姆解释说：“同步加速器的日常操作是高度自动化的，因此非常需要动手操作。”但涉及产生和维持高能电子束的系统非常复杂。因此，人类才是真正的操作者。做工作。必须监测这种复杂的情况。一个名为实验物理和工业控制系统（EPICS）的软件程序持续监控存储环内的光束。这使得不可见光束的特性可以通过环内的各种传感器、监视器和摄像机来可视化。 Rehm 证明，在短短10 分钟内，存储环中的成束电子不可避免地会发生损失。这是由于碰撞和残留气体分子造成的能量损失，以及插入设备和偶极磁体弯曲产生的同步光。定期自动增强充电，以保持最佳光束稳定性和同步光质量。如果您查看EPICS 实时图表，您可以看到环中的总电荷水平如何下降并在10 分钟后恢复到其原始水平。这种增强不仅是自动的，而且系统实际上可以瞄准电子束缺失的部分。 “这确保了环周围的能量始终均匀稳定地分布，从而产生光，”莱姆说。在这个系统中，耗尽的电子束以接近光速的速度围绕存储环飞行，这是纯粹的魔法。额外的电子可以顺利注入。

上图：钻石光源设施的内部视图。中心右侧可见的黄线显示了电子束在存储环内的路径。

当光束移入设施中心时向下看，您可以进入同步加速器的海绵状主房间。站在向任一方向延伸的高架桥上，您可以看到同步加速器的柔和曲线和从混凝土环延伸出来的许多单独的梁。这是该设施的储存环，包裹在厚厚的抗辐射混凝土防护罩中。在混凝土环的顶部有一条黄线，指示内部电子束的实际路径。据该设施的导游介绍，“如果一个人在混凝土上躺一年，辐射剂量只比标准背景辐射高出约50%。”简单地说，环泄漏了。几乎没有辐射发射。两根横梁之间有一个小黑屋。进去后，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。后面的墙上挖了一个小洞。这是一个光学诊断室，可帮助科学家研究存储的电子束的时间结构，并揭示每个电子束中包含的33,354 个电荷的填充模式。

如上图所示，实验中从小分子单晶发出衍射光束（I12）。

操控光了解同步加速器的工作原理很重要，但它在现实世界中的作用是什么？尼克·特里尔(Nick Terrill) 是小角度衍射光束线（也称为I22）的主光束。我是一名线科学家。在许多其他例子中，Trier 描述了他的团队最近如何使用I22 测试用于人工心脏瓣膜的新型聚合材料。研究小组建造了一个小型装置来拉伸瓣膜以模拟心跳的效果，并使用同步加速器的高能X 射线光源对聚合物瓣膜的内部结构进行长时间连续分辨率成像。成为。这种聚合物瓣膜可能很快就会成为有问题的机械瓣膜或植入动物体内的瓣膜的流行替代品。绕同步加速器的外部通道步行一小段到达光束线I24 后，您将遇到Microfocus 高分子晶体学工作站。 I24 由钻石光源研究所的高级支持科学家Danny Axford 组成，该团队正在探索研究膜蛋白结构的方法，这对于开发新药等应用可能很重要。我将对此进行解释。 I24 的实验室配备液氮储存罐、成像传感器、机械臂、同步光聚焦光学器件和样品阵列。该阵列使科学家能够在室温下对晶体行进行成像。这就是许多样品被低温冷却的原因，因为快速捕获晶体的结构非常重要，因为成像过程中的热量会破坏晶体。下一个目的地是小分子单晶衍射光束（I19）。在这里，通过衍射技术分析各种晶体样品，用于从癌症到储氢等项目。 I20 旁边是令人印象深刻的多功能X 射线吸收光谱束，由光束线首席科学家Sofia Daz Moreno 操作。该光束比其他光束大得多，并且有两个实验室共享该光束，可用于不同类型的光谱分析。这种类型的分析可以对在极低浓度下仍能发挥作用的催化剂的化学成分进行成像。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惊叹，使科学家能够以前所未有的方式了解催化剂、金属蛋白（含有金属离子的蛋白质）和有毒物质。它看起来像这样。

与电子束的竞赛有一个最终目的地。这是关于在存储圈的屋顶上行走。从横梁的高度上升到一楼，穿过金属龙门架走向设施中心，沿着设施周边的黄线标记走下来，直接踏上储存环的混凝土屋顶。绕土星环一周需要近10 分钟，比带电电子绕土星环一周所需的百万分之一秒慢得多。