2月13日，美国能源部核物理办公室（NP）发布由核物理专家小组提交的《电子-离子对撞机加速器研发审查报告》。报告审查了美国电子-离子对撞机（EIC）加速器的研发现状，评估了三种EIC概念设计的风险，并对未来优先研发事项提出指导意见[1]。我国重大科技基础设施“强流重离子加速器（HIAF）”于2015年12月31日由国家发改委批准立项，该项目二期目标之一是建造电子-离子对撞机[2]。希望本文可为相关研究提供借鉴。

1、背景

EIC是美国能源部核物理办公室核科学咨询委员会（NSAC）在2015年核科学长期规划（LRP）中建议的最高优先级新设施，其关键参数为：极化的（约70%）电子、质子和轻核，从氘核到最重的稳定核的离子束流，质心系能量为20-100吉电子伏、可升级至140吉电子伏，1033-1034/平方厘米•秒的高碰撞亮度，以及有多个相互作用区的可能。上述要求将加速器的设计推向了现有技术的极限，因此需要投入大量资金重点研发以下技术：离子束冷却、强极化电子源、维持电子和离子的束极化、满足运动范围需求的探测器的集成，以及探测器技术等。

为推动EIC项目进程，核物理办公室管理层于2016年3月向核科学咨询委员会提交了一份战略规划，主要包括以下4个要点：①美国国家科学院（NAS）发起为期18个月的“美国电子离子对撞机科学评估”研究；②发布2016财年资助机会公告，为下一代核物理设施的加速器研发提供为期1年的资助；③完成核物理专家小组审查，并将审查结果作为2017财年至2020 +财年的EIC加速器研发资助的基础；④从2017财年开始，根据小组审查报告中确定的研发优先级，发布加速器研发的双年度竞争机会公告，目标资金水平为每年约700万美元。此次发布的报告即为核物理专家小组的审查工作结果。

2、美国EIC研发现状

2010年以来，美国能源部核物理办公室发布了4项加速下一代核物理加速器研发的机会公告，并向包括5个国家实验室和5所大学在内的个人和合作机构提供了12项资助，总资助额超过1400万美元。相关项目在完成EIC概念设计的同时，提出和开发了许多新概念，如谐波RF增幅、相干电子冷却（CeC）、束线的原位涂层，以及采用固定场交变梯度（FFAG）磁体的能量回收型线性加速器（ERL）等。这些成果为实现和最大化未来EIC的性能提供了坚实基础，同时也可用于许多其他未来的加速器项目。

专家小组认为，受资助项目有些是高风险-高回报的，随着概念的成熟，研究应更聚焦于实现技术解决方案并支持技术决策，另外还需要在模拟、建模和技术演示之间进行合理的投资平衡。

3、三种EIC设计概念的风险

专家小组评估了三种EIC设计概念目前研发状态的风险，包括布鲁克海文国家实验室（BNL）的直线加速器-环概念（LR）和环-环概念（RR），以及托马斯•杰斐逊国家加速器设施（JLAB）的新型数字8概念（JLEIC）。结论是：

（1）BNL的直线-环概念：高风险-高回报；其中一些较高的风险可以通过以较低的技术参数为代价来降低。

（2）BNL的环-环概念：现有强子对撞机已经证实的中等风险；但具有与电子环相关的高风险，取决于所选择的电子注入器方案。

（3）JLEIC：在对撞机-探测器接口和强子冷却ERL系统的技术方面存在中等风险；但如果实现长期规划中规定的所有技术参数，还存在较高风险。

4、6项共有技术风险

经审查，专家组识别出6项三种概念设计所共有的、需要演示的技术和设计概念风险，包括：在强子环中进行蟹形加速空腔操作、用于强子冷却的大电流单程ERL、有效的强子冷却、依据现有数据对现实的EIC仿真工具进行基准测试、通过原型设计验证磁体设计和偏振3He源。

5、9项最高优先级研发活动

根据BNL和JLAB提交的研发项目优先级自我评估结果，专家小组最终确定了4个方面9项EIC最高优先级研发活动，包括：①解决三种设计概念共有技术风险的技术：用于强子冷却的高电流单程ERL、根据现有数据对现实EIC仿真工具进行基准测试、偏振3He源；②BNL直线-环概念的高优先级研发活动：大电流多次通过ERL、超越概念验证的3D强子相干电子冷却概念；③BNL环-环概念的高优先级研发活动：电子晶格的同步方案和完成该设计所需的综合不稳定性阈值研究、高峰值电流的多匝直线加速器、模拟去除强子束后的电子束效果；④JLEIC概念的高优先级研发活动：用于高带宽反馈的高功率快速增幅。

6、研发成本

依据EIC审查之前和审查过程中得到的成本和进度信息，专家小组认为两家EIC概念设计机构提供的成本和进度估计在当前阶段是合理的（见表1）。该成本估计在预期执行成本的±25％以内。

表1  两家实验室的研发成本建议

（王海霞）