裸工程-同步加速器

本-继续讨论粒子加速器的主题，在本周的裸工程中，Meera和Dave参观了钻石同步加速器，这是一个电子加速器，位于牛津郡的迪德科特，工程主管Jim Kay带他们参观了该设施，看看如何利用真空，磁铁和其他一些工程部件的组合使电子运动接近光速…

吉姆-钻石同步加速器是一个大型的科学设备，由三个电子加速器组成，它们被串联起来产生电子，然后储存在我们的存储环在30亿电子伏特(MeV)，在这个能量下，当电子在轨道上弯曲时，它们会产生高能x射线。我们从切向束线中提取x射线到存储环，并将它们传送到末端站，科学家们在那里放置样品，将样品暴露在x射线下，并获取x射线如何与样品相互作用的数据。

米拉-储存环本身非常大。它的周长为560米，电子的运动速度非常接近光速。那么，首先你是如何让电子移动这么快的呢?

吉姆:电子在阴极中开始旅程，在阴极中，我们在真空中将电子从加热表面蒸发，然后将它们吸引到正极，阳极，阳极的电压为9万伏。然后我们把它们注入一个叫做LINAC的装置，一个直线加速器，现在，能量被添加到，但是通过使用射频波。这些射频波是无线电波，这是给电子能量的另一种方法，在直线加速器中，我们现在把电子从100kev加速到100mev，也就是1亿电子伏特。

戴夫:所以，这本质上是在一个房间里产生电场波，所以小束的电子会在房间里掀起一股波，并在房间里加速。

米拉-我们现在在同步加速器内部，所以我们正接近直线加速器的末端，也就是同步加速器的助推器部分。

吉姆:我们站在助推隧道里，你可以看到这是一个巨大的混凝土拱顶，实际上，这里的墙壁和屋顶有两米厚，以吸收电子循环时产生的有害辐射，并保持墙外的剂量不高于背景。

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米拉-我们现在从助推器转移到主存储环，也就是电子在同步加速器的加速部分之后移动到的地方。我们现在在一个插入装置旁边它实际上是把电子变成x射线的地方。吉姆……

Jim -基本上，我们产生高能x射线的方法是我们将电子暴露在交变磁场中，我们通过放置许多永磁体来产生，我们将永磁体靠近电子束，并排列它们，这样电子就会看到一个南北，南北，南北交替的磁场。当电子穿过交变磁场时，它们会左右摆动每当相对论性电子摆动时，它就会释放出x射线。

戴夫:这有点像电子在天线上上下摆动并发出无线电波，但这发生得快得多，所以现在是x射线。

米拉-这个插入装置，是一个很大的结构。它大约3米高，2米左右宽。看起来很结实……

吉姆:这个装置携带的磁铁离电子束很近。我们让它们离电子越近，磁场就越强，我们给电子的冲击就越大。所以这有利于产生高能x射线。

戴夫:你说的是磁铁必须精确地定位。为什么准确性如此重要?

吉姆:所以我们要做的是产生一个电子光斑，一个聚焦的电子光斑，直径10微米，这是人类头发直径的四分之一。在那个维度上，有很多东西会破坏电子束的稳定性。所以在稳定性方面，我们知道在距离地面1.4米的地方，如果这里的温度变化1摄氏度，那么光束高度的变化将超过20微米，这是电子直径的两倍多光斑大小。所以我们知道保持这里的温度非常稳定是关键,因此,你可以看到所有这些加热和通风管道工作提供空中22度电磁铁c。你也可以看到,这些很大的红色和黄色的磁铁,这有水酷线圈的电流密度,我们需要驱动这些磁铁,和提供的水冷却也在22度c,因此,通过空气在22日,水在22日,我们减少传热,因此,所有这些金属成分的收缩和膨胀。

Meera -所以稳定性显然是一个关键的工程挑战，考虑到钻石和最小化任何运动。在储存环周围，每隔一定的间隔就有测量点——可能每隔10米——我想，这些测量点只是为了确保没有东西移动。

吉姆:你可以想象，当我们往隧道下面看的时候，我们可以看到它很快就从视野中消失了。但是我们试着把每根带着磁铁的大梁对齐让它们彼此之间的距离保持在0.1毫米以内，在560米的周长周围，我们试着把所有东西都对齐在一个直径为1毫米的圆柱体内。为了做到这一点，我们有一个非常精确的测量网络，使用一些非常精确的经纬仪和一个自动目标识别过程，当我们进行测量时，以如此高的精度定位这些磁铁。

米拉:嗯，另一个要考虑稳定性的因素是同步加速器打开的地面……

吉姆:是的，非常正确，我们已经建造了一个非常坚固的地板来承载加速器和所有与加速器相连的光束线。我们想要保证在电子焦点处产生的x射线有最好的机会到达样本点，可能40米或更远，而不会失去任何清晰度或被振动或微分沉降模糊。我们脚下的地面有800毫米厚，在整个设备中，有1500多根直径600毫米的桩，能穿透到15米深的白垩层。它非常稳定，我们使用了一种叫做流体静力调平系统的系统，在60米的长度上，我们一直在测量地板的水平，在去年精确到几微米，我们现在知道，在10米的长度上，我们的稳定性达到了每天10微米每10米的稳定性要求。