美国能源部阿贡国家实验室的ATLAS(阿贡串联直线加速器系统)即将迎来运行40周年。虽然官方数据显示其于1985年正式启用,但许多核心工作人员的贡献早在1978年便已开启。正如ATLAS科学主任Guy Savard所言,ATLAS的历史是一部关于成长、适应与科学卓越的史诗,而这也将是它的未来。
ATLAS的愿景萌芽于20世纪70年代初。当时,阿贡的物理学家们试图突破核物理研究的边界,探索原子核内部的基本力。彼时,利用超导技术加速重离子束的概念尚属前沿。超导材料在极低温下电阻消失的特性,使其能以较低能耗产生极高的加速场,这在当时是未被充分探索的领域。阿贡与加州理工学院的物理学家合作,成功研发了铌分裂环谐振器,这一技术突破成为ATLAS的基石。
1978年,由24个谐振器组成的超导“助推器”直线加速器开始运行,作为新技术的试验台。到80年代初,该助推器已积累了超过1万小时的束流时间,验证了超导直线加速器在核物理研究中的可行性。1983年,在国会资助下,ATLAS主体工程建设启动,旨在结合助推器与新的直线加速器,并配备先进的探测区域,以收集重离子束的详细实验数据。
ATLAS建成后迅速成为全球核物理研究中心。80年代末,它每年服务数百名研究人员,提供稳定同位素束流,用于探索原子核的量子结构及恒星中元素的形成过程。为了进一步提升性能,ATLAS团队在1992年完成了正离子注入器(PII)的升级,取代了原有的负离子源。这一变革不仅消除了对老式范德格拉夫加速器的依赖,还使ATLAS能够产生包括铀在内的最重元素束流,显著提升了束流强度。
随着技术的成熟,ATLAS不断引入先进仪器以拓展科学边界。1992年上线的碎片质量分析仪实现了核质量的高精度测量;1993年的正电子实验(APEX)研究了重离子碰撞中的电子与正电子发射;2000年投入使用的加拿大彭宁阱则专注于奇异核的高精度质量测量。1997年,ATLAS安装了当时世界上最强大的伽马射线谱仪之一——Gammasphere,使科学家能够深入探索原子核形状、衰变过程及核力等量子现象。
进入21世纪,ATLAS在稀有同位素研究方面取得了突破性进展。2009年,锫稀有离子育种升级系统(CARIBU)正式启用,通过利用锫-252的裂变产生富中子同位素,为研究中子星合并和超新星爆发中的r-过程(快中子俘获过程)提供了关键手段。此外,ATLAS还陆续引入了HELIOS螺旋轨道谱仪、氦气填充分析仪等先进设备,甚至创造性地利用医院废弃的MRI磁体制造科学仪器,展现了卓越的工程创新能力。
近年来,ATLAS继续深化其科研能力。2013年,由美国核物理界共同建造的GRETINA伽马射线探测器阵列投入使用,为核结构研究提供了高分辨率数据。2023年,ATLAS材料辐照站(AMIS)的建成,使得在无需产生放射性的情况下模拟核反应堆材料损伤成为可能,为新型反应堆材料的开发提供了安全高效的测试平台。目前,ATLAS每年提供超过6000小时的束流时间,服务全球各地的科研人员。
面向未来,ATLAS正致力于持续创新。团队正在安装nuCARIBU系统,这是CARIBU的升级版,利用铀的中子诱发裂变,能够按需供应放射性同位素,并可在不需要时关闭源,大幅提升了运行效率。同时,ATLAS正在筹备N=126工厂,旨在产生极重元素的稀有富中子同位素,以解开宇宙中最重元素起源的谜题。此外,多用户升级项目将允许设施同时向两个实验站输送束流,进一步释放科研潜力。
对于中国核物理及大科学装置领域的从业者而言,ATLAS四十年的发展历程极具启示意义:从单一技术的突破到系统性的持续升级,再到跨学科、跨机构的协同创新,这种“小步快跑、持续迭代”的运营模式,是保持大科学装置长期竞争力的关键。中国在建设类似国家重大科技基础设施时,可借鉴其灵活适应科研需求变化、注重工程创新与科学目标深度融合的经验,以应对未来更复杂的科学挑战。