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美国康乃尔大学基本粒子物理实验室(LEPP)
时间 : 2011-10-17     

美国康乃尔大学基本粒子物理实验室LEPP


   世界著名的加速器物理研究中心 / 发展历程 / 大型科学设施


世界著名的加速器物理研究中心

美国康乃尔大学(Cornell University)物理系的基本粒子物理实验室(Laboratory for Elementary-Particle Physics,简称LEPP)历史悠久,是世界上著名的加速器物理研究中心之一,它位于纽约州中部芬格湖畔(Finger Lakes)风景优美的伊萨卡市(Ithaca)。LEPP主要从事实验物理、理论物理以及加速器物理的研究,二十世纪八十年代增建了同步辐射光源用户设施,其研究经费主要来源于美国国家科学基金会NSF。 

 

康乃尔大学LEPP位置示意图(图片来自Google)

康乃尔大学芬格湖畔的风光

Aerial view of the Arts Quad in Fall

康乃尔大学伊萨卡园区

 

LEPP拥有F.R. Newman以及R. R. Wilson两个主要建筑。

F.R.Newman实验室大楼驻有教员办公室、LEPP 管理部门、LEPP理论组、超导高频组、加工车间和绘图室。

 

Newman实验室大楼

 

R.R.Wilson实验室大楼驻有CESR储存环(Cornell Electron-positron Storage Ring)和后勤部门人员、CLEO探测器办公室和CLEO合作者办公室、CHESS装置以及LEPP电子学车间。Wilson实验室取名于粒子物理的先驱Wilson(Robert R.Wilson,1914-2000)。

 

Wilson实验室大楼

 

发展历程

1、回旋加速器

1934年,康乃尔大学利用回旋加速器开始从事实验粒子物理研究。带电粒子从机器中心进行离心旋转,它由作为研究生帮助Ernest O.Lawrence在加州大学伯克利分校建造第一台这样机器的M.Stanley Livingston建在洛克菲勒大堂内。康乃尔回旋加速器将质子加速到0.5 MeV。

 

康乃尔的第一台回旋加速器     Livingston与康乃尔回旋加速器

 

二次大战后不久,康乃尔大学的核研究实验室和Newman实验室相继成立。在Wilson教授的领导下,实验室师生在地下室建造了第一台康乃尔电子同步加速器,将电子加速到300 MeV,为康乃尔第一台粒子加速器的600倍。1949年,康乃尔核研究实验室在世界上第一个成功地将束流储存在同步加速器里。

2、二十世纪五十和六十年代:同步加速器时代

1952年,康乃尔大学的第八任校长Dale Corson利用300 MeV同步加速器对同步加速器功率首次进行精确测量。1953年,Paul Hartman利用300 MeV同步加速器首次对同步加速器光谱进行精确测量。1954年,康乃尔建造了世界上第一台强聚焦的1 GeV电子同步加速器,并在康乃尔300 MeV同步加速器上建造了第一条专用同步辐射光束线。

到五十年代中,在第一台康乃尔同步加速器上进行的粒子物理实验提出一些只有用更高能量的电子束流才能解决的重要问题。幸运的是,由于新技术的发明,比较经济地解决了这一问题。第二台电子同步加速器的峰值能量为1200 MeV,轨道半径3.8米,六十年代初被半径7米,能量为2200 MeV的同步加速器所取代。

1961年,Peter Joos利用1 GeV同步加速器首次对辐射极化进行测量。1965年,Maury Tigner发表第一篇提出粒子加速器中能量回收的论文。1968年,康乃尔10 GeV电子同步加速器CESR在运动场地下建造。

 

Wilson实验室的艺术效果图,CESR位于现在的运动场之下

CESR位置示意图

3、二十世纪七十年代:同步加速器体量增大

同步加速器体量的不断增大,导致六十年代末建造了一座新的大楼 — Wilson实验室和半英里长的地下圆形隧道,以安放1 GeV同步加速器(与采用直线加速器方法的斯坦福直线加速器中心所用的概念不同)。因为经济原因,该机器的设计首先采用了从此世界上其他加速器拷贝的新颖建造技术。即使能量提高了,七十年代也该再次提高能量。然而,增加环尺寸的费用是昂贵的。

 

1970年康乃尔的电子同步加速器

 

1975年 超导高频技术首次用于高能圆形加速器,超导高频腔插入10 GeV 同步加速器中。

1979年 康乃尔开始调试质心能量为10.6 GeV的正负电子对撞机 - 康乃尔电子储存环CESR,和CLEO高能物理探测器。

1979年 在原同步加速器隧道内建康乃尔高能同步加速器源CHESS X射线装置。

 

左侧为1969年的同步加速器,右侧为CHESS

 

1979年 CESR和CLEO在9.4-10.4 GeV质心能量范围内看到3个b`b夸克束缚态共振峰。

到七十年代末,从其他的实验室大量了解到有关加速高流强粒子束流,并使它们在高能轨道中运行数小时的情况。这样做的方法是建正负电子储存环,这是提高Wilson实验室研究能力最节省费用的方法。康乃尔储存环(CESR)沿10 GeV同步加速器建在同一隧道里,1979年开始为物理实验运行。同时成立了CLEO合作组(称为CLEOI),初期由康乃尔大学、哈佛大学、罗彻斯特大学、Rutgers大学、Syracuse大学和Vanderbilt大学的物理学家组成。

4、二十世纪八十年代:同步加速器光源CHESS运行

1978和1980年之间,康乃尔同步加速器光源CHESS研制成功。它是作为研究X射线以使所有科学而不仅是粒子物理受益的同步加速器而建造的。1982年,CESR最后运行单束团,使单正负电子束团对撞。1983年,Raphael Littauer 教授提出麻花状轨道,增加CESR中的束团数量,来提高亮度的想法。CESR安装了高流强注入器,使得大量聚束的粒子运行。到1983秋,CESR中有3个正负电子束团运行。

麻花状轨道示意图

 

1984年夏,CESR开始7束团/束流的运行。同年,CESR进行改进,插入了2块四极磁铁。通过使这2块磁铁彼此之间相距2米,亮度增加了4倍。还是在这一年,普渡大学的Michael Rossman博士利用CHESS研究感冒病毒。

1988年,CESR在b`b共振区处于世界领先,正负电子对撞机的亮度创了记录,达1032s-1cm-2。CLEO 升级为CLEOII,包括桶和端盖量能器中30 吨搀杂铊的碘化铯。CHESS也进行了扩展,CHESS东安装了1块新的永久扭摆磁铁。同年,Karl Berkelman 教授接任核研究实验室所长。卡内基-梅隆大学、佛罗里达大学、堪萨斯大学、俄克拉荷马大学、普渡大学和纽约州立大学奥尔巴尼分校的物理学家加入CLEO的研究。核研究实验室雇佣员工180人,运行经费为800万美元。

 

1989年CHESS西的24极头1.2 T的扭摆器

5、二十世纪九十年代:更大更好

1990年,核研究实验室的运行经费为1400万美元。1994年CESR进行改进,包括部分安装了新的经典分离器和一个新的数字束流反馈系统。1994年夏开始9个束团的运行。翌年,因为CLEO安装新的硅顶点探测器和改进环本身基本原理的束流-电流/热-能力CHESS 的能力,Wilson实验室的实验计划暂停。

6、2000年及以后:继承传统

2000年,Wilson实验室安装了CLEO III,CHESS东和CHESS西,与许多大学的合作继续进行。2000年1月6日,Robert Wilson不幸逝世,享年85岁。他在粒子物理方面开拓性的思想在Wilson同步加速器实验室将继续发扬光大。

由于SLAC和KEK“B工厂”的加速器亮度已经超过了CESR,CESR决定改变物理方向,将加速器运行在3-5GeV的J/ψ能区,CESR将新的研究计划命名为CESR-c。2003年,CESR安装6块超导扭摆磁铁后,使其能量降到质心能量3.76 GeV,从而成为世界上第一个由扭摆磁铁主导的储存环。2004年3–5月安装了另外6块。

 

CESR的超导扭摆磁铁

 

2003年,Roderick MacKinnon (洛克菲勒大学)被授予第一个利用CESR所做工作的诺贝尔奖。MacKinnon领导的研究小组研究细胞离子通道的结构和机制,1998年他完成了一项几乎不可能的任务:在CESR用X射线晶体成像技术拍摄到了世界上第一张离子通道(蛋白质)的立体结构图,他所使用的这种观测方法意义极为重大。

cesr-i4.gif (16275 字节)

 

Roderick MacKinnon 被授予第一个利用CESR所做工作的诺贝尔奖

 

 

 

 

LEPP的大型科学设施

LEPP大型科学设施的分布如下图所示。

 

1、电子储存环CESR

电子储存环CESR(Cornell Electron Storage Ring)是周长768米的正负电子对撞机,建于康奈尔大学停车场和运动场地下12米处。CESR由直线加速器、同步加速器、储存环组成。

(1)直线加速器

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从加热丝放射出来的电子在一条特制的30米长的真空管道中在微波电场的作用下进行加速。正常情况下,物质不会产生正电子,但正电子是在将负电子加速到140 MeV在直线加速器的中间点轰击钨板而产生的。正电子在余下的直线加速器部分被挑选、聚焦、加速到最后200 MeV的能量,并注入到同步加速器。

(2)同步加速器

http://www.ihep.ac.cn/kejiyuandi/lab/050414-lepp/cesr-c26.gif

 

同步加速器接收来自直线加速器的电子(300 MeV)或正电子(150到200 MeV),并把它们加速到储存在CESR里时的能量,即典型的5 GeV(5000 MeV)。对于环的大部分周长来说,粒子都是在安放于192个3米长的节中的弯转磁铁极之间的真空中运行的。在环的4个地方,束流通过3米长的直线加速器。一个电子或正电子束团围绕环转4000圈后(大约百分之一秒)达到最高的能量,并注入储存环。整个加速周期每秒重复60次,时间大约10分钟,先是正电子顺时针加速,然后电子反时针加速,直到所需要的束流电流在储存环中形成。能量5 GeV时,正负电子的运行速度为光速的99.9999995%。

(3)储存环

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储存环采用与同步加速器同样的导场原理–就是说,在磁场的影响下,粒子沿圆形轨道在真空中运行。每个电子或正电子在同步加速器中的时间低于百分之一秒,但一旦传送到储存环,就必须在那里运行几个小时。这就对磁铁环和真空的质量提出严格要求。束流粒子轨道中的余气密度必须低于正常大气中密度的数十亿倍。真空盒和所有互联件全部由金属构成,可加热到150°C,将任何残存气体赶出。沿环连续分布的真空泵利用辉光放电将空气分子驱赶到金属电极。

 

电子储存环CESR,右侧黄色的是六极磁铁,兰色的是四极聚焦磁铁

 

沿储存环运行的粒子像火车的前灯那样放射出X射线束流。该“同步辐射”的功率水平大约为0.5兆瓦。它撞击狭窄通道中的真空盒,将能量沉积在真空盒的壁上。所产生的热量必须由通过真空盒壁中的一个通道进行循环的水带走。失去的能量被高频腔恢复到循环的束流上,类似同步加速器和直线加速器,尽管束流实际上没有加速。高频系统的运行频率为500 MHz,非常像电视发射机,由一个系统提供功率。

正负电子储存环周长768米,能够产生正负电子对撞,质心能量在9和12 GeV之间。当正负电子对撞和湮灭时,突然产生的能量形成新的物质,科学家们利用CLEO探测器研究对撞产生的这些物质。

为形成对撞,在直线加速器中将正负电子加速到大约150 MeV,然后注入到同步加速器加速到5 GeV,再传输到储存环。

正负电子以束团的形式沿储存环以每秒(kHz)39万圈的速度运行,有9个间隔大约相同的两个电子束团组成的束团串,每个电子束团与18个按不同方向运行的类似间隔的正电子束团对撞。利用静电分离器防止束流除了在南实验区外的束流相互作用点发生对撞。

运行的正负电子沿着束流轨道的切线方向以X射线方式放射出同步辐射。同步辐射这个副产品作为实验工具的本身就颇有价值。它的束流比正常实验室X射线源产生的那些束流亮度要高数千倍,准直得更好。CESR建造时,成立了一个单独的实验室组织,即康乃尔高能同步加速器源(CHESS),以开发研究的可能性。

为按加速器顺序进行各种操作,将粒子束流从一个装置传输到另外一个装置,许多部件必须在精确的水平进行操作,并按小心控制的顺序予以改变。仅在储存环里,就必须对400多块单个磁铁的激励电流加以确定和监控,精度长达到0.01%。因为分开进行人工控制不实际,所以加速器运行人员依靠执行给几百个部件的每个部件提供指令程序的互联计算机系统。其他程序显示图象或表格,以使运行人员了解每个部件的状态,探测到一些故障时,使用音频信号。

2、高能同步加速器光源CHESS / MacCHESS

作为寄生于CESR高能物理计划的高能同步加速器光源CHESS(Cornell High Energy Synchrotron Source)是由美国国家自然基金委支持的一台强流X射线源。CHESS于1978年开始建造,1980年竣工。

CHESS 为用户提供最先进的同步辐射设施,用于开展物理、化学、生物学、环境和材料科学的研究。它作为美国国家卫生研究院(NIH)的特殊资源时,称为MacCHESS,成为支持用于开展蛋白质结晶学研究的专用设施。

CHESS 为来自大学、国家实验室和工业部门的许多实验小组服务。每年有500-600名科学家到CHESS访问取数据。另一项重要工作是开发利用CESR提供的强流同步辐射实验设施和方法。

原来的实验室CHESS西有三条光束线A、B和C,提供6个单独的实验站,总的实验面积大约为1000平方英尺。CHESS东建于1988-1989,增加了2条光束线D和F以及4个实验站。CHESS东有一个生物危害水平BL3设施(建造经费由国家卫生研究院提供),系F1站的一部分。

 

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CHESS东与CHESS西的实验线站示意图

 

1999年由康乃尔大学提供经费,该设施又增加了G光束线和3个实验站,实验站的建造费由美国国家自然基金会提供。该设施与CHESS一起由康乃尔大学一个协会运行,为实验人员提供额外的能力。G3站建有广泛的有毒气体处理能力,提高现场晶体生成实验的前景。

其他设施包括一个充分备有现代设备的暗室、晶体固定冷冻室、用户设备实验室、中央计算机设施和一个有两个长驻机械师的加工车间。有建实验的一般区域,包括一个有通风橱的化学制品房间和用户可使用的加工车间设备。有一个大的用户休闲室,使一天的24小时更易于安排。

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CHESS的G束线位置

 

3、探测器CLEO / CLEO II / CLEO III

几十年来,为了保持最好的性能,CESR的探测器CLEO一直在不断地改进,由下图可以看出它发展的趋势。CLEO的合作包括大约125个来自20个机构的物理学家。

(1)CLEO & CLEO II

1988年CLEO开始升级为CLEOII,CLEOII是一台多用途的高能物理探测器,它具有出色的探测和测量带电和中性粒子的能力,被用来分析CESR 10 GeV储存环产生的正负电子对撞事例。CLEOII探测器由一个合作组负责运行。该合作组包括加州理工学院、加州大学圣巴巴拉分校、加州大学圣地亚哥分校、Carleton大学、卡内基梅隆大学、科罗拉多大学、康乃尔大学、佛罗里达大学、哈佛大学、堪萨斯大学、麦吉尔大学、明尼苏达大学、纽约州立大学奥尔伯尼分校、俄亥俄州立大学、俄克拉荷马大学、普渡大学、罗彻斯特大学、南卫理公会大学(SMU)、锡拉库扎(Syracuse)大学、范德比尔特大学和弗吉尼亚工学院和州立大学的许多研究机构的100多位物理学家。

CLEOII 示意图

 

· 顶点探测器

·中央探测器漂移室

· 飞行时间系统

· 晶体量能器

· 超导线圈

· μ介子跟踪系统。

· CLEOII探测器的顶视图

 

探测器的侧面高约6米,有铁9000000公斤,共有25000多个探测部件。上图为探测器截面侧视图,正负电子束流通过图平面的探测器中心。正负电子束流在探测器中心发生对撞和湮灭,产生新的有时是奇异和不熟悉的物质,特别是底夸克。对撞中形成的多数末态粒子通过束流管道,尽管一些粒子沿束流管道运行,从而逃脱探测。

 

 

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CLEO II探测器和安装中的顶点探测器

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CLEO II的超导线圈

(2)CLEO III

CLEO III在CLEOII的基础上作了大量改造而成,新安装了一台新的47层的中心漂移室。

CLEO III示意图

 

为了插入超导线圈,漂移室设计成阶梯式"结婚蛋糕"外形端板(下右图),最终使超导四极磁铁能在靠近对撞点附近插入,整个室的外径比以前的漂移室小,留有粒子鉴别器的空间。新加了环成像契伦科夫计数器(RICH),它由一个立体的1厘米氟化锂散热器构成,后面有一个15.7厘米膨胀空隙,允许契伦科夫圆锥体膨胀,然后是作为光探测器的薄间隙多丝正比室。通过从每个带电粒子的契伦科夫环平均探测12个光电子,在动能从低于12.0 GeV/c上升到2.5 GeV/c时,RICH能够鉴别π介子和K介子的效率约为85,假的低于1。一个新的4层双面硅顶点探测器直接安装在束流管道周围。CLEOIII对触发和数据获取系统重新进行了设计和建造。

 

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CLEOIII的RICH探测器

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新的ZD内漂移室

 

4、电子储存环CESR-c

(1)由CESR到CESR-c

CESR从1978年开始运行,主要用于研究在4.7-5.6 GeV束流能量范围内B的衰变。过去20多年来,多次对机器进行了改进,将亮度提到1×1033 厘米-2 秒-1。

CESR的一个独特关键特点是支持按相反方向在单个真空盒中旋转的每个束流的多束团运行。用来在寄生对撞点将束流分开的大的闭轨畸变(“呈麻花状”),加重了多极磁场的效应,形成对磁场质量的特殊要求。这些麻花轨道对每一种束流(正、负电子)都有大小近似相等但方向和相反对的位移。在89个潜在寄生对撞点的远程束-束作用限制了孔径,并引起随流强变化的闭轨畸变以及不同束团间的工作点变化。

完全单独控制所有四极磁铁和六极磁铁的磁力给光学设备的设计和校正提供最大可能的灵活性。这一特点已经证明对补偿大的麻花轨道和强扭摆磁铁效应是重要的。直线加速器和同步加速器提供快注入,后者的周长与储存环的周长一样。这一特点允许向CESR进行全能量多束团注入,使得注入的时间少到5分钟。

(2)CESR-c的目标和挑战

CESR装置的适应性,结合CLEO探测器的能力和B物理经验,提供了一种理想适合于为在粲能区物理做出重大贡献的装置。期望运行3年后将 D和Ds 衰变的样品提高2个数量级。CLEO探测器的寻综和光子分辨率、大的立体角、粒子识别和触发机动性使其能够充分进行这一研究。

 

CLEO-c示意图

 

· 内漂移室

· 主漂移室

· RICH探测器

· 能器

· 超导线圈

· μ介子跟踪系统

 

 

(3)为CESR-c所做的更改

为执行CLEO-c计划,仅需对CLEOIII做些改动,改变磁场强度为1T,以及用ZD内漂移室替换硅顶点探测器。

5、CESR测试加速器CesrTA

CESR-c/CLEO-c高能物理研究于2008年3月结束。自那时以来,LEPP加速器组CESR的配置转换为适合ILC阻尼环(ILCDR)的研究,称为测试加速器CesrTA。CesrTA提供有效和经济的途径满足ILCDR研发的需求,特别是用于评价电子云效应及wigglers的改进。由于CesrTA能够用正电子运行,可与KEK的先进加速器试验设施(ATF)上正进行的工作互补。

ILC阻尼环的基准配置最初选择的是一个6.7公里的单环用于电子以及两个6.7公里的环用于正电子。两个正电子环的选择是因为担心电子云的不稳定性。最近,基于二极铁和wigglers电子云缓解技术的模拟,参考设计报告配置已经修改为正电子单环。

CESR-c是以扭摆磁铁为主的储存环,CESR-c的扭摆磁铁已被定为ILC阻尼环配置的技术选择。CesrTA的概念设计是在环的零色散位置放置12 个CESR-c的扭摆磁铁用于超低发射度运行,其中6个扭摆磁铁安装在一个18米的直线段,有利于进行电子云效应研究的真空室的真空诊断。这个部分还为最终的ILC阻尼环扭摆磁铁试验原型提供一个安装位置。

直线段的CesrTA的扭摆磁铁

蓝绿色盒中的磁铁包在CesrTA束流管外,测试磁场的电子云效应

 

6、能量回收直线加速器ERL

能量回收直线加速器(ERL),用回收的能量产生粒子束,这需要几十年研究的技术积累。如果科学家实现了这一目标,将能用粒子束加速粒子束,由加速器产生最亮的束团。这是一项之前任何地方都未使用过的新技术,是一个激动人心的研究项目。

产生高亮度、短脉冲的聚焦光束,直线加速器远远好于圆形加速器。例如,杰斐逊实验室有基于ERL的自由电子激光器,用135 MeV电子束产生红外和紫外光束供用户使用。然而,要产生X射线,需要高得多的能量。康奈尔大学科学家瞄准的目标是5 GeV电子束的能量。如果不使用能源回收技术,这几乎是一个核电厂运行所需的电力。

康乃尔大学能量回收直线加速器(ERL)示意图

ERL原型的束流诊断系统

在Newman实验室洁净室装配ERL原型的高频超导腔

 

中国科学院大科学装置办公室  资料来自http://www.lns.cornell.edu/