X射線源“無家可歸” 美下一代加速器遭遇“有價(jià)無市”尷尬

加速器物理學(xué)家有這樣的愿景：利用高能效的X射線源拍攝出分子化學(xué)反應(yīng)的高分辨率圖像。美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)一直支持這樣的夢想：自2005年起，NSF已投入超過5000萬美元用于開發(fā)這種X射線源，且該X射線源zui有可能修建在紐約州伊薩卡市康奈爾大學(xué)內(nèi)。

但這里卻存在一個(gè)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(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)制定建造這臺(tái)機(jī)器的計(jì)劃。

這臺(tái)機(jī)器被稱為能量回收型直線加速器(ERL)，綜合了同步加速器的性能——電子被束縛在儲(chǔ)存環(huán)周圍，以促使其發(fā)射X射線，用于材料成像、識(shí)別化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)品和確定晶體結(jié)構(gòu)等。

康奈爾項(xiàng)目目前接受了一筆來自NSF材料部門2700萬元美元的獎(jiǎng)金，這是該部門迄今為止針對研究項(xiàng)目zui大數(shù)額的資助。2013年7月，在美國能源部顧問小組出臺(tái)的一份報(bào)告中，ERL設(shè)想位列3個(gè)潛在下一代X射線源的zui后。12月，NSF官員表示，該機(jī)構(gòu)目前沒有推進(jìn)ERL建設(shè)的計(jì)劃。

盡管如此，NSF的ERL項(xiàng)目主管Thomas Rieker說，該研究已經(jīng)取得了巨大成功，其所包含的設(shè)計(jì)理念可以指導(dǎo)機(jī)器建造工作快速完成。Rieker補(bǔ)充道：“我們希望有更多的選擇。這是我們資助ERL的動(dòng)力。”

NSF顧問委員會(huì)曾于2008年強(qiáng)烈建議NSF投資ERL項(xiàng)目。為何NSF現(xiàn)在的態(tài)度有所轉(zhuǎn)變?NSF官員表示，該機(jī)構(gòu)確立的優(yōu)先研究項(xiàng)目已發(fā)生變化，預(yù)算環(huán)境也不如從前，而這臺(tái)預(yù)計(jì)耗資超過10億美元的機(jī)器在納稅人眼中并不是*選擇。

如此多的研究經(jīng)費(fèi)不知流向何方，一些物理學(xué)家表達(dá)出失望情緒。加州大學(xué)圣地亞哥分校凝聚態(tài)物理學(xué)家Sunil Sinha說：“NSF應(yīng)該確定，美國是否有建造ERL的真實(shí)需要。”

能量回收的概念zui早由康奈爾大學(xué)物理學(xué)家Maury Tigner于1965年提出。該設(shè)想包括將電子注入直線加速器，之后振動(dòng)粒子促使其發(fā)射X射線脈沖。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(jīng)過回轉(zhuǎn)的束流運(yùn)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(jié)構(gòu)，用于下一個(gè)新束團(tuán)的加速。

這種加速器具有幾大優(yōu)勢。和自由電子激光相比，它更節(jié)能。這使得電子能持續(xù)流動(dòng)，而非以廣泛分散的電子束形態(tài)分布。此外，ERL具有穩(wěn)定性好、低輻射水平等優(yōu)勢，被越來越多地應(yīng)用到先進(jìn)光源和自由電子激光設(shè)置中。

日本和美國均曾表達(dá)出建造ERL的濃厚興趣，弗吉尼亞州紐波特紐斯市托馬斯杰斐遜國家加速器實(shí)驗(yàn)室也出ERL裝置的小型紅外線版本。但康奈爾計(jì)劃仍是美國的關(guān)于ERL的研究方案。

撥款文件中強(qiáng)調(diào)，ERL項(xiàng)目并不局限于某個(gè)特定選址，這意味著zui終建設(shè)地點(diǎn)可能根據(jù)項(xiàng)目要求而變更。但大多數(shù)科學(xué)家預(yù)測，如果ERL建造工作開始進(jìn)行，地點(diǎn)仍會(huì)選在康奈爾大學(xué)，因?yàn)檫@里可以再次利用現(xiàn)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?？的螤栱?xiàng)目、加速器物理學(xué)家Georg Hoffstaetter說：“我們希望ERL的建設(shè)工作能一直往前走。”

ERL的功能將和其他幾個(gè)計(jì)劃中的光源的功能重疊。能源部計(jì)劃在加州建造一臺(tái)自由電子激光器——可能通過升級(jí)加州門洛帕克SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的直線性連續(xù)加速器光源來實(shí)現(xiàn)。這臺(tái)機(jī)器將以的高分辨率呈現(xiàn)材料的圖像，并使用高能X射線的快速脈沖。

ERL發(fā)出的X射線脈沖并不是特別快速，但其穩(wěn)定性更強(qiáng)，且?guī)缀跏浅掷m(xù)不間斷的——更適用于探測敏感度高的物體，諸如生物標(biāo)本。下一代的環(huán)形光源，例如計(jì)劃升級(jí)的伊利諾伊州芝加哥市附近的先進(jìn)光子源，也將能產(chǎn)生持續(xù)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(lǐng)域仍發(fā)揮巨大作用。

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校材料科學(xué)家Paul Evans說，能源部計(jì)劃發(fā)展其他研究項(xiàng)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(xiàng)目的科學(xué)家表示，研究工作已取得了顯著成效。這一研究有助于能源部計(jì)劃的自由電子激光器的設(shè)計(jì)工作，該激光器也有望在未來實(shí)現(xiàn)能量回收循環(huán)。該團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家還研制出一種大電流電子槍——可應(yīng)用于其他加速器以產(chǎn)生X射線或研究粒子碰撞。

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