美國下一代加速器遭遇“有價無市”尷尬

孤寂如雲

ERL規劃圖（圖片來源：康奈爾大學）

加速器物理學家有這樣的願景：利用高能效的X射線源拍攝出分子化學反應的高分辨率圖像。美國國家科學基金會（National Science Foundation，NSF）一直支持這樣的夢想：自2005年起，NSF已投入超過5000萬美元用於開發這種X射線源，且該X射線源最有可能修建在紐約州伊薩卡市康奈爾大學內。

但這裏卻存在一個棘手的問題：除了大筆資金流入，目前尚無任何一家美國政府機構負責制定建造這台機器的計劃。

這台機器被稱為能量回收型直線加速器（Energy Recovery Linac，ERL），綜合了同步加速器的性能——電子被束縛在儲存環周圍，以促使其發射X射線，用於材料成像、識別化學反應產品和確定晶體結構等。

康奈爾項目目前接受了一筆來自NSF材料部門2700萬元美元的獎金，這是該部門迄今為止針對研究項目最大數額的資助。2013年7月，在美國能源部顧問小組出台的一份報告中，ERL設想位列3個潛在下一代X射線源的最後。12月，NSF官員表示，該機構目前沒有推進ERL建設的計劃。

盡管如此，NSF的ERL項目主管Thomas Rieker說，該研究已經取得了巨大成功，其所包含的設計理念可以指導機器建造工作快速完成。Rieker補充道：“我們希望有更多的選擇。這是我們資助ERL的動力。”

NSF顧問委員會曾於2008年強烈建議NSF投資ERL項目。為何NSF現在的態度有所轉變？NSF官員表示，該機構確立的優先研究項目已發生變化，預算環境也不如從前，而這台預計耗資超過10億美元的機器在納稅人眼中並不是最佳選擇。

如此多的研究經費不知流向何方，一些物理學家表達出失望情緒。加州大學聖地亞哥分校凝聚態物理學家Sunil Sinha說：“NSF應該確定，美國是否有建造ERL的真實需要。”

能量回收的概念最早由康奈爾大學物理學家Maury Tigner於1965年提出。該設想包括將電子注入直線加速器，之後振動粒子促使其發射X射線脈衝。它的基本原理是，讓已被直線加速器加速和使用過的電子束經過回轉的束流運輸通道，再返回到加速器入口，從而使電子束的能量以電磁波的形式返還給加速結構，用於下一個新束團的加速。

這種加速器具有幾大優勢。和自由電子激光相比，它更高效節能。這使得電子能持續流動，而非以廣泛分散的電子束形態分布。此外，ERL具有穩定性好、低輻射水平等優勢，被越來越多地應用到先進光源和自由電子激光設置中。

日本和美國均曾表達出建造ERL的濃厚興趣，弗吉尼亞州紐波特紐斯市托馬斯傑斐遜國家加速器實驗室也研發出ERL裝置的小型紅外線版本。但康奈爾計劃仍是美國最先進的關於ERL的研究方案。

撥款文件中強調，ERL項目並不局限於某個特定選址，這意味著最終建設地點可能根據項目要求而變更。但大多數科學家預測，如果ERL建造工作開始進行，地點仍會選在康奈爾大學，因為這裏可以再次利用現存的由NSF資助的X射線光源（即康奈爾高能同步加速器源）通道。康奈爾項目領導者、加速器物理學家Georg Hoffstaetter說：“我們希望ERL的建設工作能一直往前走。”

ERL的功能將和其他幾個計劃中的光源的功能重疊。能源部計劃在加州建造一台自由電子激光器——可能通過升級加州門洛帕克SLAC國家加速器實驗室的直線性連續加速器光源來實現。這台機器將以空前的高分辨率呈現材料的圖像，並使用高能X射線的快速脈衝。

ERL發出的X射線脈衝並不是特別快速，但其穩定性更強，且幾乎是持續不間斷的——更適用於探測敏感度高的物體，諸如生物標本。下一代的環形光源，例如計劃升級的伊利諾伊州芝加哥市附近的先進光子源，也將能產生持續的光源。和ERL相比，它的光源亮度和能量較低，但這類X射線源在生物成像領域仍發揮巨大作用。

威斯康星大學麥迪遜分校材料科學家Paul Evans說，能源部計劃發展其他研究項目的決定，將使得ERL的建造工作更遙遙無期。

盡管ERL還未建成，康奈爾項目的科學家表示，研究工作已取得了顯著成效。這一研究有助於能源部計劃研發的自由電子激光器的設計工作，該激光器也有望在未來實現能量回收循環。該團隊的科學家還研制出一種大電流電子槍——可應用於其他加速器以產生X射線或研究粒子碰撞。

盡管一些科學家對現狀表示滿意，Hoffstaetter仍不放棄建造ERL的努力。他說：“投資ERL是一個明智的選擇。”

中國科學報

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