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带你走进美国顶尖的科研机构:费米国家加速器实验室50庆典

2021-05-01 16:40:09

2017年9月23日,美国费米国家加速器实验室(Fermi National Accelerator Laboratory)迎来50周年庆典。
费米实验室(Fermilab),位于美国伊利诺州的Batavia小镇上,实验室以着名的理论物理学家恩利克·费米的名字命名,费米(Enrico Fermi,1901-1954)是原子时代卓越的物理学家,1938年获诺贝尔物理学奖,以表彰他发现新的放射性物质和发现慢中子的选择能力。
费米实验室成立于1967年,它属于美国能源部,但也隶属于芝加哥大学(University of Chicago)和大学研究协会(URA),并由这两个机构负责其运作,其中URA由90所研究型大学组成,目前实验室有2000名雇员。
费米实验室是美国最大的高能物理实验室,在世界上是仅次于欧洲粒子物理研究所的第二大实验室。
实验室的目标是探索自然界最微小的部分——存在于原子中的世界,了解宇宙是如何形成和运转的,提高人类对物质和能量的基本属性的理解。
费米实验室最为知名的是它的周长达6.4公里,位于地下7米深的环形隧道中的Tevatron质子/反质子加速器,是目前世界上能量输出第二高的粒子加速器,能将质子加速到接近光速,让反向旋转的粒子束流在对撞机中对撞,帮助科学家探索物质、空间和时间的奥秘。由于预算限制以及CERN在瑞士完成的强子对撞机建成后,费米实验室的Tevatron于2011年10月关闭,完成了它运行了28年的历史使命。此后费米实验室从纯粹的理论研究开始部分地转向民用粒子加速器的开发研制。
在它的50周年庆典开放日中,费米实验室为来访的民众开放了它的许多实验部门,展出了许多最新的科研成果。

001.

002.费米实验室的西大门

003.莱徳曼科学中心(Lederman Science Center),其中的展览品是互动展览品,人工制品和图形的独特集合,向来访的学生和参观者介绍粒子物理学的世界,并讲述了费米实验室的故事。在这里陈列了实验室历年来的科研成果。

004.Wilson Hall是费米实验室的主楼及管理和研发中心。

005.为纪念创建该所的R.威尓逊(Robert R. wilson)所长而命名。

006.大楼前飘扬着不同国家的国旗,故费米实验室又有小联合国之称。

007.除了美国外,来自中国的研究和技术人员的人数仅次于德国,列第二位。

008.威尓逊大耧的背面

009.威尔逊大楼的侧面,我原来的办公室就在这一面的14楼。

010.威尔逊大楼附近的景色。

011.威尔逊大楼附近的风景

012.威尔逊大搂的15楼是展示中心,这是费米实验室的全景模型。

013.这里有很多图片介绍,这是超级粒子对撞机的实物照片。

014.在Tevatron中的粒子探测器

015.另外还有不少实物模型,这是费米实验室的超导磁铁。

016.粒子加速器示意图,靠上的一个圈就是质子/反质子加速器(Tavatron)。

017.质子/反质子加速器(Tavatron)的介绍

018.威尓逊大楼15楼也是从高处俯瞰费米实验室全景的绝佳场所。

019.费米实验室的Logo,是一付两极磁铁和一付四极磁铁的组合。

020.中间偏左白色一列像栅栏的建筑是费米实验室计算机中心。

021.Tavatron直径两公里,环状小河大约是它的轮廓,小河就是加速器的冷却水。

022.俯看威尔逊大楼背面。

023.威尓逊大楼内部中央大厅

024.仰视中央大厅

025.很有气派

026.

027.大厅中介绍费米实验室的图片展示

028.费米艺术画廊中的作品

029.费米实验室50周年纪念开放日的大厅

030.直线加速器室,费米实验室的加速器链从这里开始。

031.在这里,产生粒子朿并被多次加速,使其具有更高的能量。

032.然后以接近光速的速度送到实验室以用于有关的实验中。

033.

034.

035.复杂的控制管线

036.主控室

037.技术部工业楼,在这里可以看到很多费米为下一代粒子加速器开发的新技术。

038.展示超导体结构的模型

039.枱面上的细铜丝是超导体的实际粗细,直经1mm左右的超导体,可承受1000安培的电流。

040.用超导材料制成的反应线圈

041.超导磁铁,超导磁体是在大多数粒子加速器中操纵粒子束的主力军。 问题在于这些磁体需要昂贵的制冷剂来冷却。 现在,实验室的研究人员找到了一种制造高温超导磁体的方法。

042.超导体

043.测试超导磁铁的装置

044.磁场测量探头

045.绕制超导线圈的机器

046.拼接测试装置

047.另一种绕制超导线圈的机器

048.

049.磁焊机

050.它用耒焊接超导磁铁的外壳

051.超异磁铁组件

052.接下来参观Industrial Center Building

053.工业中心大楼是研究和制造粒子加速器的场所

054.粒子加速器示意图

055.这个展板展示了多个加速器的应用领域,世界各地已有三万多台粒子加速器在使用中。

056.组装超导无线电频段(SRF)腔体Cavity

057.3.9GH SRF Cavity

058.1.3GH 夹套九单元腔体

059.650MHz 五单元腔体,这些腔体都是粒子加速器的组成部分。

060.有关这些腔体功能的说明

061.粒子加速器组件

062.因为由超导材料组成,所以工作温度要冷却到-450华氏度以下。

063.最下方被封住的管道就是加速粒子通过的管道。

064.午餐时间

065.周围的景色

066.

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068.

069.

070.很多校车在费米园区内穿梭,把参观者送往各个参观点。

071.IARC是测试粒子加速器的场所,外面的兰色建筑是新建的伊利诺州加速器研究中心。

072.以前这里是CDF(Cliding Detector Facility),加速器Tavatron上有两大探测器CDF和D0,最大的粒子对撞和探测器(CDF)就在这里。在该加速器内,粒子束流穿过一个大部分由超导磁铁环绕的真空管道。各类磁铁的组合使束流按大的圆形弯转。Tevatron共有1000多块超导磁铁。超导磁铁比常规磁铁产生更强的磁场,工作在华氏-450度,磁铁内的电缆没有电阻,传导大量的电流。特大的磁力可将粒子加速到更高的能量。

073.二楼是控制室

074.粒子加速器的测试设备

075.Tavatron关闭后,原来这个巨大的粒子探测器就一直放在这扇门后。

076.CDF粒子探测器的尺寸大约为10mX10mX10m,是一个重5000吨的厐然巨物。质子与反质子按相反的方向在Tevatron里运转,速度每小时仅比光速慢200英里。两种反向运动的高速粒子束流在这个探测器的中心部分发生对撞,爆发式地产生新粒子。围绕在粒子对撞部位的电子数据采集系统中捕获的粒子对撞后出现的现象,通过成千上万根电缆,实时传送到位于二楼的控制中心进行数据处理,记录和分析,并提供给科学家们研究。

077.在维修保养时,探测器就从轨导上移出来。我曾在这里工作过两年,也经常爬到上面去安装和调试过设备。

078.Illinoia Accelarator Eesearch Center

079.参观者和技术人员的互动交流区

080.专心的孩子们

081.

082.这里是超低温加速器模块的最后测试场所,通过测试的设备将运往用户。

083.上面标出的是测试所需达到的温度

084.加速器外面巨大的橙红色壳体是由中国加工制造的

085.测试设备

086.测试控制装置

087.测试设备

088.技术人员向来访者介绍

089.低温箱

090.这个低温装置称为Superfluid Cryoplant,它可以产生大量的-450华氏度的液氦,太约等于20000个家用冰箱中冷冻剂的量。

091.费米实验室的加速器科学技术室

092.室内全貌

093.超导磁铁实验演示

094.超导磁铁构造之一

095.超导磁铁构造之二

096.激光实验演示

097.激光驱动装置

098.超低温设备中要使用大量的液态氦。

099.气泡室(Bubble Chamber)是费米最早的粒子探测器

100.

101.参观Muon g-2 实验大楼,Muon g-2将更好地了解μon的性质,并用它们来探究粒子物理学的标准模型。
根据最新消息(2021年4月7日),在Muon g-2 实验中发现,一种叫缪子(muon)的基本粒子在磁场中表现出来的行为与目前基本粒子标准模型预言的结果有所差别,这预示着很可能存在超出标准模型的新物理,该结果发表在了国际着名物理期刊《Physical Review Letters》上。

102.Muon g-2 实验大楼中的超级大磁铁。

103.磁铁直径为50英尺

104.控制箱

105.来到Mu2e实验室

106.关于Mu2e实验的介绍,主要是关于介子到电子的转换实验。

107.

108.进入在地下的介子加速器环

109.拉子束阀门

110.粒子束运动的管道

111.加速器中使用的磁铁分两极和四极两种

112.超导电磁铁用来聚焦粒子束,并控制其运动方向。

113.四极超导磁铁

114.加速器上大小不同的磁铁各自发挥其不同的功能

115.直流电流变换器

116.Muon加速器环

117.最后访问遥控操作中心

118.位于威尔逊大楼底层的操作中心

119.退休数年后重访费米,见到了在不同的科研项目中取得的很多新成果,既开了眼界,增长了知识,又和几位昔日同争愉快重逢。这一天的参观,真是收获颇大。再见,Fermilab!