一項具有里程碑意義的研究重新審視了美國能源部的托馬斯·傑斐遜國家加速器設施 (CEBAF)，對這種獨特的粒子加速器的升級性能和功能進行了基準測試，在其概念誕生四十年後。
一項歷時數十年的開創性研究為美國能源部托馬斯·傑斐遜國家加速器設施的初級粒子加速器提供了全面的重新基準測試。該研究細緻地記錄了加速器的原始和升級後的運行參數，提供了對其主要係統、子系統、功能和局限性的詳細見解。
這項研究是由傑斐遜實驗室加速器高級研究中心的傑出人物、加速器教育計畫主任傑弗裡·克拉夫特（Geoffrey Krafft）帶頭的。克拉夫特也是奧道明大學加速器科學中心的教授，他領導了這篇 63 頁論文的創作，該論文以傑斐遜實驗室著名的連續電子束加速器設施 (CEBAF) 為中心。
「以前從未建造過像 CEBAF 這樣的加速器。因此，講述它是如何建造以及如何工作的，這並不是一件小事，」他說。
探索原子核的獨特機器
四十年前，即 1983 年 8 月，國會批准了用於研究、開發和設計的初始資金，該項目即將成為連續電子束加速器設施。粒子加速器的目的是為核子物理實驗提供高能量電子束。這些電子中的每一個都將被發送通過機器進行加速——加速到更高的速度，並充滿高達 40 億電子伏特 (4 GeV) 的額外能量。然後這些電子將被發送到目標，在那裡它們將與目標的質子和中子相互作用，以揭示這些粒子的結構和普通物質內部相互作用的細節。
隨著 20 世紀 80 年代的過去，該設施開始成形，很明顯，它將成為一個與眾不同的新型粒子加速器。
加速器技術的進步
首先，機器的設計在 1985 年發生了根本性的改變。但到了 1985 年，該設施的第一任主任 Hermann Grunder 決定放棄這種保守的設計，嘗試新事物：由超導射頻技術驅動的加速器。希望這個材料將使機器達到更高的能量並且也將使加速器在未來可以升級。
SRF 技術建立在一種稱為鈮的材料之上，當其冷卻到接近絕對是零。這使得 SRF 加速器能夠使用鈮 SRF 加速器腔來推進粒子束，而熱損失的能量則少得多。與當時現有的銅基粒子加速器不同，SRF 加速器可以幾乎連續地發射這些光束，使研究人員能夠多次進行相同的實驗，而不會導致加速器過熱。
該技術已在多個大學研究實驗室顯示出前景，但從未被建造成大型機器。該設施繼續推進新設計，到 1988 年，現場開始施工。
CEBAF已初具規模。
完成和初始操作
該機器於 1993 年 12 月完工，安裝了加速器的最後一部分，稱為低溫模組。整台機器將在機器的注射器中容納兩個加四分之一的低溫模組，電子束在那裡形成。另外 40 個低溫模組首尾相連地排列在兩個直線加速器中（每個直線加速器 20 個），並透過兩條弧線連接。這個跑道設計週長為 7/8 英里，它允許電子在機器中移動最多五次，每次通過都獲得額外的能量，然後被引導到實驗大廳進行研究。
到 1995 年，CEBAF 已經開始為核子物理實驗獲取數據，其中一些實驗是在近二十年前構思的。不到兩年後，CEBAF 的所有三個實驗廳（A、B 和 C 廳）都已建成並投入運作。
基準測試和早期成功
到2001 年，克拉夫特和他的加速器科學家同事克里斯托夫·李曼（Christoph Leemann）（後來成為傑斐遜實驗室的第二任主任）和大衛·道格拉斯（David Douglas）收集了足夠的信息，發表了一篇有關CEBAF 的基準論文。 “連續電子束加速器設施：傑佛遜實驗室的 CEBAF” 發表於核與粒子科學年度評論從那時起，它就成為 CEBAF 所有事物的資源。這篇技術期刊文章為核物理學家和加速器物理學家提供了他們需要了解的有關 CEBAF 的所有信息，包括其關鍵技術、操作規範和展示的功能。
然後，僅僅幾年後，很明顯，巨大的變化即將到來。
升級的需要
最初的粒子加速器表現非常出色，超出了 4 GeV 的設計目標 50%，最終達到了 6 GeV。還展示了超越初始設計的其他功能，例如高度極化的電子束、最多三個實驗廳的同步實驗、提供比設計能量更低的光束（稱為半通光束）的能力以及能量回收。
核物理學家渴望進一步利用 CEBAF 的能力，他們提出了升級機器以實現新的核子物理研究目標的理由在2001年發表的白皮書中。
2004 年，能源部認識到存在升級 CEBAF 的「任務需求」。 3.38 億美元12 GeV CEBAF升級項目將使 CEBAF 原始設計的運行能量增加三倍（從 4 GeV 到 12 GeV），並委託一個新的實驗區域（實驗大廳 D），以及其他更新以實現更高的能量範圍。 CEBAF 於 2012 年 5 月關閉了大部分升級過程，五年後，升級項目於 2017 年秋季完成。
「加速器內的許多不同子系統都需要改進並變得更好。很多設備都經過翻新，」克拉夫特說。
最近的更新和未來的展望
升級後，克拉夫特和他的同事認為是時候再次對機器進行基準測試了。現在，在第一篇里程碑式的論文發表二十多年後，它已被最近發表在《12 GeV 的連續電子束加速器設施》所取代。物理回顧加速器和光束。
這篇新的參考文章回顧了原始 CEBAF 的操作細節，提供了有關機器技術升級的信息，並對 CEBAF 在 12 GeV 下的加速器性能進行了基準測試。現在它可作為美國能源部科學辦公室用戶設施的便捷參考，該設施是全球 1,650 多名核物理學家的研究家園。
克拉夫特表示：“這是對 12 GeV CEBAF 升級專案的技術成果以及該專案最終實際執行情況的總結。” “我們希望它成為在 CEBAF 進行測量的核物理學家的標準參考，因為它提供了新加速器及其性能特徵的完整描述，以便他們有一個現成的參考。”
該文件還談到了未來的可能性，並提到了改善 CEBAF 營運的機會和機器學習, 開發新光子來源，並提到了幾個主要的核物理項目。
同時，是否有人對 CEBAF 及其功能存在本文中未提及的疑問？
「他們可以直接問，」克拉夫特補充道。 「我們採取的方法是，任何以某種方式為升級專案做出技術貢獻的人都應該成為該論文的共同作者。紙上有超過 100 個人。
參考文獻：「12 GeV 連續電子束加速器設施」作者：PA Adderley、S. Ahmed、T. Allison、R. Bachimanchi、K. Baggett、M. BastaniNejad、B. Bevins、M. Bevins、M. Bickley、RM博登斯坦，S.A.博加茨，M.布魯克，A.伯里爾，L.卡德曼，J。克里爾，Y.-J。 Chao、G. Cheng、G. Ciovati、S. Chattopadhyay、J. Clark、WA Clemens、G. Croke、E. Daly、GK Davis、J. Delayen、SU De Silva、M. Diaz、R. Dickson、L.杜利特爾、D. 道格拉斯、M. 德魯裡、E. 費爾德爾、J. 費雪、A. 弗雷伯格、V. 甘尼、R.L.耿，C.金斯伯格，J.戈麥斯，J.格拉姆斯，J.古貝利，J.郭，F.漢農，J.漢斯克內希特，L.哈伍德，J .亨利，C.埃爾南德斯-加西亞，T.希亞特，D. Higinbotham、S. Higgins、AS Hofler、J. Hogan、C. Hovater、A. Hutton、C. Jones、K. Jordan 、M. Joyce、 R. Kazimi、M. Keesee、MJ Kelley、J. Keppel、A. Kimber、L. King、P. Kjeldsen、P. Kneisel、J. Kowal、GA Krafft、G. Lahti、T. Larrieu、R. Lauze、 J. Leemann、R. Legg、R. Li、F. Lin、D. Machie、J. Mammosser、K. Macha、K. Mahoney、 F. Marhauser、B. Mastracci、J. Matalevich、J. McCarter、M. McCaughan、L. Merminga、R. Michaud、V. Morozov、C. Mounts、J. Musson、R. Nelson、W. Oren、RB Overton ，G. Palacios-Serrano，H.-K。 Park、L. Phillips、S. Philip、F. Pilat、T. Plawski、M. Poelker、P. Powers、T. Powers、J. Preble、T. Reilly、R. Rimmer、C. Reece、H. Robertson、 Y. Roblin、J. Rode、T. Satogata、DJ Seidman、A. Seryi、A. Shabalina、I. Shin、J. Slominski、R. Slominski、M. Spata、D. Spell、J. Spradlin、M. Stirbet、ML Stutzman、S. Suhring、K. Surles-Law、R. Suleiman、J. Tennant、H. Tian、D.蒂芬巴克，O .特羅菲莫娃，A.-M。 Valente、H. Wang、Y. Wang、K. White、C. Whitlatch、T. Whitlatch、M. Wiseman、MJ Wissman、G. Wu、S. Yang、B. Yunn、S. 張和 Y. 張，15 2024 年8 月，物理回顧加速器和光束。
DOI：10.1103/PhysRevAccelBeams.27.084802
