تواترون صرفه‌جو

کار تبدیل سنکروترون پروتون GeV 500ی آزمایشگاه فرمی به یک برخورد‌دهندة (TeV1) GeV 1000ی پروتون پادپروتون (تواترون)، در دو مرحله انجام می‌گیرد. ابتدا حداکثر انرژی باریکه به TeV1 افزایش می‌یابد؛ این کار با نصب حلقه‌ای از مغناطیس‌های ابررسانا در همان تونلی که حلقة موجود مغناطیس‌های عادی قرار دارد، و درست زیر آن، صورت می‌پذیرد. باریکه‌های پروتون در حلقة دوم تا انرژی TeV1 شتاب داده می‌شوند. از آن‌جا که حلقة دوم ابررسانا است و نسبت به مغناطیس‌های شتاب‌دهندة معمولی می‌توان الکتریکی بسیار کم‌تری را مصرف می‌کند، نام "صرفه‌جو" را بر آن نهاده‌اند. مرحلة دیگر تبدیل، ساختن یک چشمة پادپروتون است. پادپروتون‌ها مآلاً در جهت مخالف دور تواترون به گردش در خواهند آمد. با باریکه‌ای از پروتون برخورد سربه‌سر خواهند کرد.
تواترون صرفه‌جو به مدت چند سال است که بخش اعظم توجه کارکنان آزمایشگاه فرمی را به خود معطوف ساخته است. کار بر روی این طرح در 1983 به اوج رسید. از جمله نصب حلقة مغناطیس‌های ابررسانا به پایان رسید و در ماه مه همان سال خنک کردن قطاع نهایی شروع شد. نخست در دوم ژوئن 1983 باریکه‌ای در شتاب‌دهندة ابررسانای صرفه‌جو تزریق شد و تا دوم اوت 1983، رکورد جدید انرژی GeV700 به دست آمد. این رویدادها نقطة اوج ده سال تحقیق، آزمون، ساخت و نصب دستگاه شتاب‌دهندة جدید در تونل حلقة اصلی بودند. نیل به آماج نهایی ـ یعنی باریکة پروتونی 800 تا GeV1000 با تقریباً 1013*2 پروتون بر تپ برای فیزیک ـ هدف ـ ثابت و برخوردهای پروتون ـ پادپروتون در درخشندگی 1030 cm-2 sec-1ـ مستلزم تنظیم بیشتر و ساختن چشمة پادپروتون است.
استفاده از مغناطیس‌های ابررسانا در یک شتاب‌دهندة بزرگ نیاز به سیستم‌های مهندسی جدید معظم و کنترل آن‌ها را مطرح کرده است. بزرگی مقدار وسائل در کل، پیچیدگی سیستم، و ظرافت این سیستم‌های جدید تدارکاتی بر روی هم نه تنها باعث کوچک جلوه کردن اجزای متناظر شتاب‌دهندة معمولی می‌شود، بلکه روی طرح آن‌ها هم اثر می‌گذارد. اجزای معمولی نیز باید به‌طور مؤثری کار کنند تا طی مراحل اولیة راه‌اندازی، یعنی وقتی ‌که قابلیت اطمینان کل بالا نیست، بتوان در جهت به دست آوردن باریکة شتاب‌دار پیشرفتی کرد.
در وهلة اول، مغناطیس‌های ابررسانا نیاز به سیستم زمزاییکی عظیمی دارند تا هم هلیوم مایع در K7ر4 و هم ازت مایع را تأمین کند. سیستم زمزاییکی برای مضاعف‌ساز انرژی در K7ر4 مقدار خنک‌کنندگی KW24 فراهم می‌آورد. این بزرگ‌ترین سیستم زمزاییکی جهان است و چندین مرتبة بزرگی از سیستم‌های پیشین بزرگ‌تر است.
مغناطیس‌های ابررسانا چه تاریخچه‌ای پشت سر دارند؟ ایدة سیستم مغناطیس ابررسانا در 1970 پیدا شد، اما تا پاییز 1972 یعنی تا پس از آغاز به کار حلقة اصلی آزمایشگاه فرمی در GeV200 برای آزمایش‌های هدف ـ ثابت، هیچ مذاکرة جدیی در این باره آغاز نشد. پژوهش منظم و سازمان‌یافته و تلاش برای برپا کردن مضاعف‌ساز انرژی در ابتدای سال 1973 شروع شد. تا سال 1974 دو آزمون انجام شد که طی آن‌ها مغناطیس‌های پیش نمونه در تونل نصب شد و باریکه‌ای از میان آن‌ها عبور داده شد. این دو آزمون نصب، نه تنها نقاط عطف مهمی در کار ساخت سیستم‌های زمزاییکی بودند. بلکه علاوه بر آن داده‌های ارزشمندی در مورد حساسیت مغناطیس‌های ابررسانا نسبت به اتلاف باریکه به دست دادند.
در اوایل 1976، حوزة آزمون B12 با یک مغناطیس ده پایی آغاز به کار کرد. آزمون‌ها تا آخر بهار 1981، زمانی که به شروع نصب نهایی تونل اولویت داده شد، ادامه یافتند. پیکربندی حوزة بارها تغییر داده شد. ابتدا مغناطیس‌های این حوزه به دو مغناطیس 22 پایی شد و بعداً به یک رشتة 4 ـ دو قطبی مجهز گردید که نمی‌توانست به جریان بالای A2000 برسد چرا که در آن از یک دریچة اطمینان نامناسب استفاده شده بود. در پیکربندی‌های بعدی، حوزه دارای دو و سپس چهار نیم‌سلول مغناطیس شد. (هر نیم‌سلول شامل یک مغناطیس چهارگوش و چهار مغناطیس خم‌ده است.) مغناطیس‌های خم‌ده ا زهمان نوع مغناطیس‌های طویل‌تر 22 پایی بودند. حوزه در پیکربندی نهایی حلقه و قرقره‌های پیچک تصحیح نهایی بود.
آزمون‌های تونلی بر روی رشته‌های مغناطیس، قبل از خاموش کردن آن‌ها به منظور نصب حلقة نهایی، در دو مرحله انجام شد. در پایان 1978، پنج نیم ـ سلول مغناطیسی با موفقیت نصب، بی نشت، و خنک شدند. یک باریکة GeV100 از حلقة اصلی گرفته شد و به اندازة 500 پا از میان این مغناطیس‌ها عبور داده شد.
آخرین و مهم‌ترین برنامة آزمون، "آزمون قطاعA 4ر3"، در نیمة اول 1982 انجام شد. این آزمون، آزمون کامل دستگاه برای 8ر1 کنترل‎‌ها و اجزای حلقة نهایی بود. در این آزمون تمام سیستم‌های مزاییکی و لوله‌کشی‌های فشار، دستگاه تولید برق، و دستگاه حفاظ فرونشان تا ظرفیت کامل خود آزموده شدند. انجام موفقیت‌آمیز این آزمون آخرین گام در راه به وجود آوردن کل دستگاه بود؛ دستگاهی که می‌توانست برای انجام عملیات، به هنگام آغاز راه‌اندازی باریکه در تقریباً یک سال بعد، به حد کافی قابل اطمینان باشد.
آزمون‌های باریکه با تزریق GeV150 در 17 ژوئن 1983 شروع شد. در سوم ژوئیه 1983، پس از حدود 210 ساعت روشن بود دسترس‌پذیر دستگاه و تقریباً 20 روز عملیاتی پس از شروع به کار حلقة کامل، تا شتاب GeV512 به دست آمد.
در 15 اوت 1983، پروتون‌ها تا GeV700 شتاب داده شدند. تا آوریل 1984 انرژی به GeV800 افزایش داده شده بود. در تمام طول سه ماه بعد از آن از پروتون‌های GeV800 برای آزمایش‌های فیزیک هدف ـ ثابت استفاد شد. اینک آماج‌های بزرگ فنی شتاب‌دهندة ابررسانا به دست آمده‌اند. امید می‌رود تا پایان 1984 انرژی باریکه‌ای تا نزدیک به GeV1000 در دسترس باشد.
هلن ادواردز، آزمایشگاه فرمی