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德国电子同步加速器研究所(DESY)
时间 : 2010-01-17     

德国电子同步加速器研究所(DESY)


位于德国汉堡的德国电子同步加速器研究所DESY是世界上著名的高能物理和加速器技术研究机构,它得名于它建造的第一台电子同步加速器Deutsches Elektronen Synchrotron。DESY拥有多台高能物理加速器,并执行了多项大型高能物理研究计划。20世纪六十年代,DESY的研究计划扩大,增加了利用同步辐射所进行的研究,包括原子物理、固体物理,以及化学、地质、材料科学、分子生物及医学等领域的研究,并以成功地将粒子研究与同步辐射应用研究结合在一起而闻名于世。

DESY包括它的茨威森(Zeuthen)分部,共有永久雇员1560人。另外,来自33个国家的2900多位科学家使用DESY的装置进行研究。

 

DESY鸟瞰 


DESY的大科学装置群

电子同步加速器DESY 1964年开始运行

正负电子双储存环对撞机DORIS 1974年开始运行;改造为DORISII 1981年开始运行;改造为DORISIII 1993年开始运行

正负电子储存环PETRA 1978年开始运行;改造为PETRAII 1991年开始运行;改造为PETRAIII 预计2010年开始运行

强子电子环加速器HERA 1992年开始运行;改造成HERAII 2001年开始运行

TeV能级超导直线加速器TESLA实验装置TTF与自由电子激光器装置FLASH FLASH于2000年出光

欧洲X射线自由电子激光EXFEL 2013年建成 


(1)电子同步加速器DESY

1960年,德国电子同步加速器研究所开始建造第一台加速器——电子同步加速器DESY(Deutsches Elektronen-Synchrotron),这是当时世界上同类加速器中规模最大的。DESY于1964年开始进行粒子物理实验。1967年,在DESY加速器上利用同步辐射光进行了一个能谱区的首次吸收测量,从此开辟了一个新的研究领域。

 

DESY的第一台电子同步加速器鸟瞰

 

(2)正负电子双储存环DORIS

1969-1974年,DESY建造了另外一台加速器,即正负电子双储存环DORIS(DOuble RIng Store)。

1974年,利用DORIS正负电子双储存环进行首批物理实验。在这些实验中,DESY首次采用高能时使粒子对撞的技术。因能将物质与反物质粒子加速到高的能量并发生对撞,所以开辟了完全新型实验的可能。同时,DORIS开始开展同步辐射应用。

 

DORIS示意图

 

1975年,首次在DORIS上探测到“粲物理激发态”—重夸克物理诞生。而到现在为止,之前人们都用假设的术语谈论夸克,现在已经非常明显,它们的确以质子和中子的基本组成部分以及所有物质的基本组成部分存在着。同年,首次开展X射线光刻实验。光刻是制造电子学线路的新工艺,是使电子学部件小型化的关键所在。在DESY的研究带来该工艺的特殊应用,诞生了深X射线光刻,现用来生产三度空间微结构。

1981年DORIS成为同步辐射储存环,称为DORISII(5.6Gev),同时成立了同步辐射实验室HASYLAB。DORISII有15个实验站(后来发展为45个),其三分之一的运行时间被作为强X射线光源进行同步辐射实验。

1984年,DORISII上安装了第一块扭摆磁铁。该磁铁的特殊结构将电子引入弯曲轨道,使电子发射出特别强的X射线辐射,辐射强度比正常储存环磁铁产生的辐射高100倍,开辟了新的应用领域。

 

  

HASYLAB同步辐射实验室示意图              HASYLAB测量站                 

 

1987年,在DORISII上的ARGUS探测器首次观测到B介子转变为反B介子,这相当于发现了第二个最重夸克底夸克的一个新的基本特性:在某些条件下,它可变为其他类型的夸克。从此也可得出这样的结论:还未发现的第六个夸克顶夸克的质量一定非常大。这是寻找该夸克的一个有价值的线索。该夸克后来于1994年在费米国家加速器实验室找到。

1993年,DORIS储存环经再次改进,开始作为HASYLAB的专用同步辐射源运行,称为 DORIS III,HASYLAB已经发展成为世界上重要的同步辐射实验室。

 

  

DORIS III示意图                       DORIS III储存环 

 

(3)正负电子储存环PETRA

1975-1978年,建了正负电子串联环形加速器PETRA(Positron Electron Tandem Ring Accelerator),它的储存环周长达2.3公里,是当时世界上同类加速器中最大的储存环。

1978年,在PETRA上做了4个实验。从此,DESY设施被越来越多的国外科学家所使用。来自中国、英国、法国、以色列、日本、荷兰、挪威和美国19个研究所的科学家们与无数德国的同行们共同开展研究。

1979年,首次在PETRA发现“胶子”。胶子是强力的载体粒子,它将所有物质的基本组成部分–夸克组合在一起,被认为是自然界中4个基本力之一。

1983年,在PETRA上工作的粒子物理学家测量μ子对产生中的非对称,确认了电磁力和弱力统一的理论预言。

 

   

PETRA示意图                        PETRA-III示意图         

 

1991年PETRA进行改进,新建了两条高亮度波荡器光束线,称作PETRA II,成为强子电子环形加速器HERA的前级加速器和HASYLAB开展实验的同步辐射源。 

2004年,在PETRA-II的基础上将其改造为PETRA-III的计划被批准,新建13-15条高亮度波荡器光束线,使其成为新高亮度的第三代同步辐射光源。在设计阶段,联邦教育和研究部在3年半时间内提供140万欧元,用于雇用7位工程师和1位科学家在2003年年底完成将PETRA改造为专用同步辐射光源的设计报告(包括经费估算)。改进计划被批准后进行了准备工作,2007年1月正式开工。 

PETRA-III耗资2亿2千5百万欧元,能量为6 GeV,流强为100 mA。通过采用阻尼扭摆磁铁,发射度可达1 nmrad。PETRA-III在数年内都是世界上基于X射线源的亮度最高的储存环,以至可以用于测量纳米尺寸的微小样本。这种光源可用于研究蛋白质、纳米材料和新型器件。2009年 4月16日,PETRA-III加速器首次实现了对粒子团的加速。该装置2010年正式投入运行。

 

View into the PETRA III ring tunnel   A 2 m long undulator for PETRA III at the magnetic measurement bench

        PETRA-III储存环隧道             长度2米的PETRA-III插入件(扭摆磁铁)

 

(4)强子电子环加速器HERA

HERA(Hadron Electron Ring Accelerator)是DESY最大的加速器,是世界上第一台,也是唯一的使两种不同类型的物质粒子,即质子和电子发生对撞的储存环装置。 

HERA的建造共有11个国家参加。法国、意大利、以色列、加拿大、荷兰和美国的研究所提供了装置的主要部件和为主要部件支付费用,或进行重要的测试。英国、波兰、捷克斯洛伐克、中国和前德意志民主共和国及德意志联邦共和国的研究所派专家协助工作。HERA所需经费20%以上来自国外,约60%的实验经费也来自国外。这种“HERA模式”的国际合作非常奏效,现在已成为大型国际研究项目的榜样。

1984年4 月,HERA获得批准。由于HERA是第一个大规模采用超导磁铁的加速器,技术上面临了特别挑战。HERA的两个环型加速器,每个长6.3公里,其中一个将电子加速到27.5 GeV,另一个将质子加速到920 GeV。1991年10月19日HERA首次实现电子质子对撞,1992年开始正式运行。

1992年在HERA开展的前两个实验,开辟了质子物理的新时代,可以对所有原子核的基本组成部分进行精确的研究,其精确度比以前高30倍。1993年,HERA实验的初步结果表明,质子的内部远比科学家们以前能够“看到的”复杂质子不仅由3个被胶子组合在一起的夸克组成,而且还有大量不断形成和湮灭的夸克以及胶子。1996 年开始对极化质子束作多项研究,在对QCD 的验证和强子的内部结构及质子自旋的组成等方面取得了很多成果。1999年,利用HERA进行的HERMES实验获得胶子自旋的第一个直接证据。

 

HERA鸟瞰 

 

 DESY-Beschleunigersystem  

HERA示意图                             HERA隧道           

 

2000年9月-2001年5月,HERA改造为HERAII。共有480米长的真空系统需要更换,接近80块磁铁要重新设计安装,每块长1到4米,重达7吨。2001年7月29日,HERA开始重新运行。加速器的改进刚好用了9个月,目标是将“对撞率”提高4倍。功率的提高可使研究人员接触稀有过程,增强HERA研究粒子和作用于粒子之间力的能力,其计划不仅包括研究质子的结构,而且还包括研究基本力的特点和寻找新的粒子和力。

 

(5)TeV能级超导直线加速器TESLA与自由电子激光装置FLASH

1991年,DESY开始与多个国外的研究机构合作从事TeV能级超导直线加速器TESLA(TeV-Energy Superconducting Linear Accelerator)的开发,称为TESLA试验设备TTF(TESLA Test Facility),其目的是开发基于超导腔技术的低成本加速器光源,用超导腔替代昂贵的铜腔。

1998年,由金属铌制作的谐振腔创造了30.6 MV/m的加速记录,比过去提高了5倍。TTF扩展为300米长的带有自由电子激光的超导直线加速器。该装置2000年首次发射出波长为100nm的激光,证明新激光原理在短波时也能应用,这是TESLA项目的一个关键里程碑,研究人员将其重新命名为FLASH(Free-electron LASer in Hamburg),之后FLASH不断创造出新的纪录。2002年,首次在9单元的实验谐振腔中达到35 MV/m的加速记录,该加速梯度可使加速器运行时能量高达800 GeV。

 

  

TESLA超导加速器的结构                      TESLA测试设备

 

FLASH经历了一次升级,包括将线性加速器增长12m,并增加了第六个超导波荡器。2007年10月5日,FLASH打破了其作为最短波长自由电子激光(FEL)脉冲源的记录,将波长缩短到了6.5nm。

FLASH可用于研究瞬态的单个原子、分子、病毒、团簇和一般纳米粒子,开辟了多个新的研究领域,如原子与团簇的多光子过程研究、各种利用红外光和软x射线及其谐波的双色泵浦-探测实验、大量等离子体特性与消融过程的研究,以及时间分辨光电子光谱研究等等。

 

  

               FLASH的实验大厅           FLASH线站分布示意图

 

Freie-Elektronen-Laser FLASH 

FLASH鸟瞰                            FLASH测量站实验

 

2002年11月,德国科学理事会对TESLA项目的相关研究给予高度评价, TESLA项目由两个设施组成:一个33公里长的直线加速器,它使正负电子发生对撞;另一个是X射线自由电子激光装置EXFEL(属欧洲合作大科学工程,德国负担一半费用)。TESLA的新超导加速器技术是建造这两个设施的基础。TESLA项目为基础研究以及广泛的学科的应用研究开辟了新的前景,研究和应用领域从材料和生命过程到物质结构和大爆炸的形成。

 

 

TESLA项目示意图

 

(6)欧洲X射线自由电子激光EXFEL

紧随FLASH之后的欧洲自由电子激光EXFEL(European X-Ray Free Electron Laser),是一个长3.4公里、世界上第一个产生高强度短脉冲X射线的激光设施(产生0.1nm的X射线,亮度比现有第三代光源高出9个数量级),包括10个实验站,预计2013-2014年建成,整个建设的费用约98600万欧元,另外5000万欧元用于研发、使用仪器和探测器。EXFEL可用于多种学科的科学研究,从浓缩物质和材料物理学到纳米科学,从等离子物理到化学,到结构生物学实现目前无法实现的和潜在的革命性实验。 

FLASH的成功对于发展EXFEL的制造与探测技术是一个重要的技术基础。FLASH作为一个巨大的原型装置,可以验证未来XFEL上所有的基本部件,为将在XFEL上进行的所有实验方案提供了一个极好的测试平台,并提供了学习操纵超高亮度亚皮秒X射线脉冲装置的机会。

 

  

EXFEL鸟瞰                             EXFEL示意图

 

■ 成为国际著名的粒子研究与同步辐射应用研究结合的研究中心

正因为有了以上这些大科学装置的群体,DESY具有很强的支撑多学科研究的能力。DESY逐渐发展成为世界上粒子加速器研究的主要中心之一,科学家们通过国际合作组开展实验对众多的基本粒子进行研究。20世纪60年代后,DESY大大拓展了研究领域,成功地将粒子研究与同步辐射应用研究结合在一起。DESY本身并没设置多学科研究的机构,它通过向用户开放促进科学研究的发展。一些重要的研究机构纷纷在DESY建立自己的研究部门。如欧洲分子生物学实验室EMBL(European Molecular Biology Laboratory)就在DESY建立了实验室分部EMBL-Hamburg,并且建造了7条专用光束线,专用于分子结构生物学研究。

 

DESY的多个大科学装置 
 

中科院大科学装置办公室  资料来自http://www.desy.de/