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科学家和技术人员正在 SPIRAL2 的三个新大厅之一 ， 科学中子中精心准备下一个实验 。 他知道这些巨大的建筑的每一寸 ， 这些建筑是为容纳 SPIRAL2 而定制的 。 我们配备了剂量计 ， 在进入装有 LINAC 的大厅之前快速浏览了原始设施五个回旋加速器 。 加速器从一堆乱七八糟的电缆、电子设备、传感器和超导电磁体下方探出头来 。 正是在这里 ， 在机器的持续嗡嗡声中 ， 在大约 40 米的距离内 ， 粒子将被加速到每秒 75000 公里 ， 并将轰炸微小的目标 ， 以期生产出科学家试图了解其原子结构的元素 。 机器内部接下来发生的事情就像与时间赛跑 。 离子受到一系列电磁场的作用 ， 使它们形成束流 ， 加速它们 ， 并将它们引导到相邻的实验大厅 。 虽然这项操作已经足够复杂 ， 但科学家们面临着许多额外的挑战 ， 所有这些挑战都围绕一个主要目标：
LINAC 的关键元件 ， 射频四极
当粒子离开位于上游大厅的离子源（法国东南部格勒诺布尔发明和开发的一种工艺）时 ， 它们到达第一阶段：射频四极 ， 一种四极电磁体 。 在这个由纯铜制成的组件内部 ， 由五个部分组成 ， 每个部分长 1 米 ， 重 1.6 吨 ， 射频波以每秒 8800 万个数据包的速度将粒子捆绑成包 ， 然后将它们注入超导直线加速器 。 由于其复杂的几何形状 ， RFQ 将所有粒子预加速到光速的 4% ， 减慢那些领先的粒子并加速那些落后的粒子 。 这确保了当他们离开仪器时 ， 他们都位于正确的位置 ， 并在正确的时间被送走 ， 以完成其余的非凡旅程 。 这是一项非凡的工程壮举 ， 正如 Jacquot 解释的那样：“虽然 SPIRAL2 的每个组件都是原型 ， 但 RFQ 是关键元素 。 它基于一个可以追溯到 1960 年代的相对古老的想法 。 但当时 ， 我们没有开发它的技术能力 。 ”科学家们试图在这里观察到的事件极为罕见 。 所需的精度非常高 ， 以至于发生这些碰撞就像从大西洋两侧发射两根针并希望它们会在大洋中途相撞 。 光束的强度越大 ， 观察到碰撞的概率就越高 ， 这仅仅是因为这些事件的数量要多得多 。 为了实现这些目标 ， LINAC 的光束强度比原来的设施强一百倍：高达 3x10 16（3000 万）个粒子每秒都会穿过直线加速器 。 然而 ， 由于这些粒子带电 ， 它们会相互排斥 ， 这意味着有些粒子会在途中迷路 。 得益于 RFQ ， LINAC 比其前身更高效 ， 并且具有更高的强度、功率和复杂性 ， 在粒子继续通过之前 ， LINAC 可以以接近 100% 的效率（与原始回旋加速器的 20% 相比）加速粒子26 个加速腔（世界各地大型加速器中使用的法国创新）封闭在 19 个低温模块中 ， 由液氦冷却至 4 开尔文（-269.15 °C）的温度 。 在这个物质的创造和转化过程中 ， 几乎没有任何东西被浪费 。
【SPIRAL2，原子工厂】
监测和校准
然而 ， 在再现发生在恒星核心的核反应时 ， 没有即兴发挥的余地 。 “具有高达 200 千瓦的光束2 只关注几平方毫米 ， 你就可以在瞬间穿透墙壁 ， ”Jacquot 指出 。 尽管并非每个实验都需要这种功率 ， 但保护加速器本身仍然是一个主要问题 。 “在这种情况下 ， 时间的概念至关重要 。 最轻微的损坏或事件 ， 例如磁铁损坏或失效 ， 可能会在几毫秒内导致所有材料的破坏 ， ”物理学家解释说 。 后果将是极其严重的 。 例如 ， 不受控制的光束损失可能会导致机器组件受到强烈照射 ， 从而影响其使用寿命 。 因此 ， 加速器不断受到深入的电子和人工监控 。 整个仪器上至少有 120 个传感器测量光束在管中的强度、能量、速度、位置和方向 ， 该管保持在非常高的真空下 。 它们的灵敏度还使他们能够通过测量光束线两端的粒子数量来检测光束损失（其中逃逸的粒子会产生中子） 。 如果存在差异 ， 则机器停止 。 3 名操作员 24/7 全天候工作 ， 轮流监控 1000 多个参数 。 “这些检查不仅使我们能够在光束未按预期运行时快速识别最轻微的潜在故障 ， 例如加速腔中的异常电压或温度 ， 而且还可以微调设备的组件 ， ” GANIL 的电子工程师 Sébastien Leloir 解释道 。
产生最重的原子核
以全功率和完全安全的方式发射的粒子束在 SPIRAL2 的其中一个实验大厅中完成它们的旅程 ， 具体取决于它们的特性：DESIR（专用于奇异的低能核）、S3（超级分离光谱仪） ， 它仍然是正在安装 ， 以及 NFS（科学中子） ， 这是科学家实际工作的第一个 。 今天 ， 技术人员正忙着为下周在 NFS 大厅进行的实验定位探测器 。 仪器和实验技术专家、CNRS 2021 水晶奖章获得者 Jean-Claude Foy 负责运营 。 在这里 ， 他们主要使用中子 ， 顾名思义 ， 中子是不带电荷的中性粒子 。 因此 ， 电磁场对它们没有影响 。 我们的参观结束于仍在建设中的 S3 大厅 ， 科学家们将在那里尝试识别并准确确定超重元素的性质 ， 即比铀重的元素 。 那里的第一次实验可能要到 2023 年才能进行 。 “最有趣的原子核之一是 tin-100 原子核 ， 它有 50 个质子和 50 个中子 。 这是尚待研究的最后一个所谓的“双重魔力”核 ， 全球都在争先恐后地进行这项研究 ， ”S3 的科学协调员 Hervé Savajols 解释道 。 为了赢得那场比赛 ， GANIL 获得了产生极强光束的能力 ， 以及下一代光谱仪 。 对于该设施的副主任来说 ， 这个非凡项目的关键成就是将个人的思想和技能团结在一个目标上：建造极其复杂且可操作的设备 。 SPIRAL2 首先是大规模科学合作的集体雄心和人类高度成功的努力的结果 。
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