SLAC國家加速器實驗室

SLAC國家加速器實驗室（SLAC National Accelerator Laboratory），簡稱SLAC，位於美國加州舊金山灣區的門洛帕克，是美國能源部下屬的國家實驗室，由史丹福大學負責運行管理。SLAC成立於1962年，原名“斯坦福直線加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center）”，2008年10月正式更名為“SLAC國家加速器實驗室”。

SLAC位於美國西海岸舊金山灣區西南部，隸屬美國能源部，占地約426英畝。截止2018年，SLAC擁有1500餘名員工、來自55個國家，歷史上共有6位科學家及研究人員曾獲得諾貝爾獎。近50年來，SLAC一直從事自然界基本規律的探索，取得了許多重大發現，揭示了許多自然界的秘密。SLAC已由主要從事粒子物理研究的實驗室逐步發展成為一個從事天體物理學、光子科學、粒子加速器和粒子物理等多學科研究的綜合實驗室。

基本介紹

• 中文名：SLAC國家加速器實驗室
• 外文名：SLAC National Accelerator Laboratory
• 簡稱：SLAC
• 成立時間：1962年

歷史發展

SLAC國家加速器實驗室位於美國西海岸舊金山灣區南部的門洛帕克，占地約426英畝，成立於1962年，原名“斯坦福直線加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center）”，2008年10月改名為SLAC國家加速器實驗室。SLAC隸屬美國能源部，具體有史丹福大學負責運行管理。

SLAC實驗室標誌

截止2018年，SLAC擁有1500餘名員工、來自55個國家，歷史上共有6位科學家及研究人員曾獲得諾貝爾獎。近50年來，SLAC一直從事自然界基本規律的探索，取得了許多重大發現，揭示了許多自然界的秘密。SLAC已由主要從事粒子物理研究的實驗室逐步發展成為一個從事天體物理學、光子科學、加速器和粒子物理等多學科研究的綜合實驗室。

任務構想

SLAC的構想：通過率先研製和運行一些大科學裝置，在探索科學前沿問題中成為領導者，以造福國家和人類。

SLAC的任務：通過加速器和有關的項目，出色的用戶裝置和頗具價值的合作夥伴，以最快的過程和最高的能量，在最小和最大尺度探索物質的最終結構和和動力學以及能量、空間和時間的特徵。

支持SLAC活動的基本核心能力是：

· 基於電子加速器的研究和技術；

· 先進的儀器、診斷和系統集成；

· 用來在光子科學、粒子物理和粒子天體物理數據分析、建模和模擬的理論和創新技術；

· 為用戶和分布在世界範圍內的合作管理超大型數據集。

科學裝置

SLAC的發展以大科學裝置的建設為基礎，逐步擴大規模，逐步擴大研究領域。

直線高能電子加速器SLAC Linac

1957年，美國的科學家們開始醞釀在斯坦福校園內建造一個直線高能電子加速器，該項目1961年終於獲得美國國會批准，1962年7月開始建造。1966年2月加速器和實驗區完工，1967年9月按計畫不超支順利完成建設，成功獲得20 GeV 電子束流。

SLAC的科學家們用加速器產生的電子來探索質子和中子的結構，發現了質子中稱為“夸克”的新的更小的粒子。為此，美國麻省理工學院的物理學家弗里德曼（JeromeI.Frierdman）、肯德爾（HenryW.Kendall）和史丹福大學的加拿大物理學家理察·泰勒（RichardE.Taylor）獲得了1990年諾貝爾物理學獎，表彰他們在20世紀60年代末、70年代初對於電子與質子及束縛中子深度非彈性散射進行的先驅性研究對夸克模型發展起了重要作用。

正負電子加速環SPEAR

1963年，SLAC準備建造一個正負電子對撞束儲存環，開始時的設計方案為單環加速器。1969年，該設計進行了改進，提出建造雙環非對稱加速器，即“斯坦福正負電子非對稱環” SPEAR（Stanford Positron Electron Asymmetric Ring）。當費用未能落實後又回到單環方案，但首字母縮略詞SPEAR仍保存下來。修改過的單環方案一度被稱為“SPEAR 1/2”，但此名稱未予保留。

1970年，斯坦福正負電子加速環SPEAR（Stanford Positron Electron Accelerating Ring）啟動建設，1972年開始運行，物質與反物質實驗開始，從而開始了一個粒子對撞的新時代。當時所需經費未獲單獨撥款，由SLAC的運行費中支付。

科學家們在該加速器上開展了許多高能物理實驗，其中兩項尤為突出。1974年，伯頓·里希特（Burton Richter）領導的實驗小組在SPEAR上利用複雜的探測器開展物質與反物質的對撞研究。當這兩種類型的粒子對撞時，它們在小的爆炸中消失。在這一過程中，該實驗小組發現了一種以前未知的基本粒子，稱為“y”的粒子，它由夸克和反夸克組成。此粒子發現前，僅知有三種類型的夸克，這一新夸克（稱為粲夸克）的發現，令人信服地證明對物質夸克亞結構的基本想法是對的。與此同時，丁肇中領導的實驗小組也在布魯克海文國家實驗室也發現這一粒子，稱為“J”粒子。為此，伯頓·里希特和丁肇中被授予1976年諾貝爾物理學獎。

1975年，馬丁·劉易斯·佩爾（Martin Lewis Perl）利用同一加速器做物理實驗，發現正負電子對撞後產生的稱為τ的新粒子，該粒子屬於第三代輕子。第一代輕子是1897年發現的電子，第二代輕子是1937年發現的μ。為此他榮獲1995年諾貝爾物理學獎。

同步輻射光源SSRL

1973年，斯坦福同步輻射工程SSRP （Stanford Synchrotron Radiation Project）啟動，在正負電子加速環SPEAR的基礎上建設同步輻射實驗設施。

SSRP於1977年竣工，成為斯坦福同步輻射光源SSRL（Stanford Synchrotron Radiation Lightsource）。在此之前，SLAC一直以粒子物理實驗為主，此後，同步輻射實驗成為SLAC的重要工作內容，開展的研究包括：結構生物學、遺傳和分子生物工程、感測器和感測信息處理、環境支撐技術、光學技術等。

1990年，SPEAR成為具有自己獨立的注入器的專用同步輻射裝置。1992年，SSRL成為SLAC的一個研究門部。

對於SLAC的3 GeV SPEAR環這樣的儲存環磁場中彎轉的高能電子來說，輻射非常強，波長範圍廣，從紅外線到可見和紫外線範圍，進入電磁波譜的軟硬X射線部分。同步輻射束流中的光子與其他源產生的相同波長的光子一樣，但同步輻射束流具有像強度高、光譜範圍廣、準直、極化、脈衝－時間結構、部分相關性和高真空環境等特殊的性質。

SSRL由史丹福大學為美國能源部進行運作。它是一個國家用戶裝置，其經費主要由能源部基礎能源科學局及生物和環境研究局提供，另外也從國立衛生研究院、國家研究資源中心、生物醫學技術計畫以及國立綜合醫學研究所得到經費支持。

同步輻射X射線特別適於研究許多材料，原因是它們的大小正好能夠穿透材料，而且一旦它們穿透材料後，能夠與材料的組成部分發生相互作用。有兩種類型的X射線相互作用提供結構信息、散射和吸收。

SPEAR 1990年以後完全專用於SSRL，一年內約有9個月為用戶運行，有32個實驗站供來自大學、工業部門、政府實驗室和國外研究機構的用戶進行實驗。接近有100家美國公司利用過SSRL。工業界的科學家和工程師們，不顧遠離他們家鄉實驗室開展大量實驗的費用，競爭束流時間， 繼續在SSRL積極開展實驗。以大學為基礎的活躍的研究吸引來自化學、生物學和醫藥部門的用戶以及物理學家們，每年用戶的數量都有所增加。

SPEAR經歷了幾次升級改造， SPEAR 3於2004年開始運行，SSPL性能得到大幅度提高，成為第三代同步光源。

SSRL制訂了一個長期發展規劃，建設性能更好的同步光源PEP-X。在B粒子工廠PEP-II的現有隧道建設兩個同步輻射實驗廳，每個廳包含16條X射線束線。運行參數為4.5 GeV和1.5A，水平發射度0.14納米·弧度，使用90米的扭擺器，PEP-X將具有比現有以及未來計畫中的儲存環光源高一個量級的平均亮度和通量，相關的研究正在進行中。

正負電子對撞機PEP與直線對撞機SLC

SPEAR的環直徑僅73米，所達到的能量受到限制，對撞產生的粒子數目有限。1980年起，SLAC又建造了兩台加速器，即正負電子對撞機PEP（Positron Electron Project）和斯坦福直線對撞機SLC（SLAC Linear Collider）。

PEP的儲存環相當於SPEAR的10倍，直線加速器的能量改進後，1980年正負電子對撞的數量是SPEAR的幾倍。許多科學家利用此設備對以前實驗中發現的粒子特徵和行為進行了長達10餘年的詳細研究。

1983年SLAC開始動工建造3.2公里長的斯坦福直線對撞機SLC，這是世界上第一台直線對撞機。它利用SLAC原有的50GeV的直線加速器，正負電子束流分別經過兩個弧形傳輸線進入對撞區，1989年實現了對撞，獲得50 GeV 正負電子束流，驗證了直線對撞的原理。大型探測器SLD（SLAC Large Detector）在該加速器上所做的實驗，對了解宇宙法則做出了許多重要貢獻。

B粒子工廠PEP-II

SLAC從1994年起對PEP的儲存環進行改進，改進後的PEP-II稱為B粒子工廠，使更多的正負電子發生對撞，產生B介子和反B介子。該工程總造價17.7億美元，包括建造大型探測器BaBar的費用在內。1997年第一個束流注入B工廠，1998年首次實現粒子對撞，主要進行物質反物質研究。1999年，B工廠1200噸重的大型探測器BaBar投入運行，記錄了第一批事例。BaBar探測器用來研究PEPII儲存環產生的數百萬的B介子。BaBar 合作組由來自10個國家75 個研究機構的約600名科學家和工程師組成。

2001年7月6日，由美國、加拿大、中國、法國、德國等9個國家75個研究機構參與的國際合作組宣布，發現B介子和反B介子衰變速率有差別，證明了“電荷宇稱不守恆”現象，這是一種確定宇宙中物質多於反物質現象的可能解釋。2008年，PEP-II和BaBar在運行9年後關閉。

國際網

1991年，SLAC啟動國際網，至此北美的第一個網站建立，並在SLAC運行。SLAC網站向物理學家們展示出網的潛力，粒子物理界人士可以更容易地進入非常繁忙的科學文獻資料庫，網路從此逐漸傳遍整個世界。

國際網圖示

最終聚焦測試束流裝置FFTB

SLAC最終聚焦測試束流裝置FFTB（Final Focus Test Beam）建於1993年，是一個包括俄羅斯、日本、德國以及美國建造的磁鐵和其他光束元素的國際合作項目。其目的是要探討直線對撞機對撞點束流穩定的因素。

下一代直線對撞機試驗加速器NLCTA

國際直線對撞機（ILC）是國際上提出的未來國際粒子加速器。它將使正負電子之間產生高能粒子對撞。下一代直線對撞機試驗加速器NLCTA（Next Linear Collider Test Accelerator）項目1996年啟動。NLCTA是一個小型加速器，是國際直線對撞機（ILC）的設計原型研究裝置。

直線加速器相干光源LCLS

2009年4月，直線加速器相干光源LCLS（Linac Coherent Light Source）在SLAC誕生。這個巨型雷射器長130米，由2英里長的直線加速器的最後一公里將電子能量從4.3GeV加速到13.6 GeV，每次啟動裝置需花2小時。該裝置建成耗時3年，而從計畫提出到完成開工準備歷時幾乎10年。

自由電子雷射器從高能電子束獲得能量，這些高能電子通過一個交替極性的磁體陣列（波盪器），利用磁場控制電子的來迴路徑，並且釋放光能。LCLS是世界上第一個發射硬X射線的自由電子雷射器，輸出波長在0.15 ～1.5nm之間可調諧，輸出脈衝寬度可達80fs，每個脈衝包含10萬億個X射線光子。LCLS已經對科學家們開放，這將極大地推動科學技術的進步。

為了滿足各種套用需求，LCLS的輸出可以在原子、分子和光科學領域的不同設備之間進行切換，這些設備包括光學聚焦和氣體傳輸系統，可與LCLS的電子、離子和光子譜儀同步的高功率雷射器，X射線相關光譜儀，X射線光泵浦-探測儀器，相干X射線成像儀，軟X射線材料科學儀器，以及物質在極端條件下運行需要的一些儀器。

加速器科學和實驗測試束流裝置FACET

加速器科學和實驗測試束流裝置FACET（Facility for Advanced aCcelerator Experimental Tests）利用正負電子短的強脈衝形成一個被稱為電漿尾場加速器的加速源來研究等離子體加速。

FACET將對SLAC的加速器部件重新定位、整修和升級,在直線加速器的20節給新的裝置提供束流。目標是為電漿韋克菲爾德加速器研究提供高品質束流。該設施將安裝在LCLS注入器的上游，使用現有2公里直線加速器，將電子和正電子加速至23 GeV能量，在現有直線隧道的20節處建立一個新的實驗區。美國能源部2008年已批准了FACET項目建議。