Een upgrade van de geavanceerde lichtbron (ALS) in het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft een belangrijke mijlpaal bereikt die zal helpen om de toonaangevende capaciteiten van ALS te behouden.

Op 23 december verleende de DOE goedkeuring voor een belangrijke financieringsstap waarmee het project kan beginnen met de bouw van een nieuwe interne elektronenopslagring. Bekend als een accumulatorring, deze binnenring zal de belangrijkste lichtproducerende opslagring van de verbeterde faciliteit voeden, en maakt deel uit van het upgradeproject (ALS-U).

Deze laatste goedkeuring, bekend als CD-3a, keurt een belangrijke vrijgave van fondsen goed die zullen worden gebruikt om apparatuur aan te schaffen en keurt formeel de start van de bouw van de accumulatorring goed. Deze goedkeuring is een essentiële stap in een DOE "kritiek beslissingsproces" dat diepgaande beoordelingen omvat in verschillende belangrijke projectfasen.

"Het is opwindend om eindelijk met de bouw te kunnen beginnen en al ons harde werk tot wasdom te zien komen en een stap dichter bij het hebben van een lichtbron van de volgende generatie te komen, " zei David Robin, directeur van het ALS-U-project.

De ALS produceert ultrahelder licht over een reeks golflengten, van infrarood tot hoogenergetische röntgenstralen, door elektronen te versnellen tot bijna de lichtsnelheid en ze langs een cirkelvormig pad te leiden.

Krachtige arrays van magneten buigen de elektronenstraal, waardoor het licht uitstraalt dat door tientallen bundellijnen wordt geleid voor experimenten in een breed scala van wetenschappelijke gebieden - van natuurkunde, medicijn, en scheikunde tot biologie en geologie. Meer dan 2, Elk jaar voeren 000 wetenschappers van over de hele wereld experimenten uit in de faciliteit.

helderder, meer laserachtige stralen, en 'gerecycleerde' elektronen

Naast het installeren van de accumulatorring, het upgradeproject zal de bestaande hoofdopslagring vervangen door een opslagring van de volgende generatie die de grootte van de lichtbundels bij hun bron zal verminderen van ongeveer 100 micron (miljoensten van een meter) tot minder dan 10 micron.

De combinatie van de accumulatorring en de verbeterde hoofdopslagring maakt ten minste 100 keer helderdere stralen mogelijk bij belangrijke energieën, en zal de bundels laserachtiger maken door een eigenschap die bekend staat als coherentie te verbeteren. Dit zal het mogelijk maken om kenmerken van monsters op nanometerschaal te onthullen, en om chemische processen en de functie van materialen in realtime te observeren.

Vandaag, elektronen bij de ALS worden eerst versneld door een lineaire (rechte) versneller en een boosterring voordat ze worden overgebracht naar de opslagring die licht naar de bundellijnen voedt. Na de upgrade, elektronen van de boosterring gaan in plaats daarvan naar de accumulatorring, die de grootte en spreiding van de elektronenbundel zal verminderen en meerdere batches of "injecties" van elektronenbundels van de boosterring zal accumuleren voordat bundels naar de opslagring worden overgebracht.

Het straalprofiel in de accumulatorring verkleinen, samen met een innovatieve techniek voor het verwisselen van elektronenbundels tussen ALS-ringen - en het gebruik van verbeterde magnetische apparaten genaamd undulatoren die de elektronen wiebelen en helpen het pad van het licht dat ze uitzenden te verkleinen - zal de hogere helderheid van de opgewaardeerde ALS mogelijk worden.

De accumulatorring zal ook binnenkomende elektronenbundels "recyclen" - via een overdrachtslijn van de hoofdopslagring - die een lege lading hebben. Het zal ze herstellen naar een hogere lading en ze terugvoeren naar de opslagring.

Deze elektronenbundel recycling, bekend als "bundel trein swap-out, " is een uniek ontwerpkenmerk van de opgewaardeerde ALS die ook nuttig zou kunnen zijn als deze zou worden toegepast in andere versnellerfaciliteiten over de hele wereld. Het zal het aantal verloren elektronen verminderen, op zijn beurt de werklast voor de productie van elektronen in de faciliteit verminderen.

Om nauwkeurig getimede elektronenbundel-treinuitwisselingen tussen de accumulatorring en de booster- en opslagringen mogelijk te maken, er zijn drie overdrachtslijnen nodig.

Een van deze overdrachtslijnen zal bundels elektronen van de boosterring naar de accumulatorring brengen, waar de grootte van de trossen zal worden verminderd en de lading geleidelijk zal worden verhoogd, alvorens ze via een andere transferlijn naar de hoofdopslagring te leveren. Een derde overdrachtslijn zorgt ervoor dat overtollige elektronen die anders zouden worden weggegooid, opnieuw in de accumulatorring kunnen komen voor hergebruik.

"Elk upgradeproject moet bijdragen aan versnellertechnologie en het veld op de een of andere manier vooruithelpen, Robin zei. "Recente ultramoderne faciliteiten en upgrades in Europa en de VS hebben technologie geïmplementeerd waar we gebruik van maken. Een van onze belangrijkste bijdragen is het gebruik van een accu met inspuiting van een bostrein."

Aan de top van 'zachte' en 'zachte' röntgenwetenschap

Robin heeft Christoph Steier gecrediteerd, wie is de Accelerator Systems Lead voor het ALS-U-project, en zijn team voor het ontwikkelen van de techniek voor het wisselen van treinstellen en aanverwante technologieën die essentieel zijn voor de verbeterde prestaties van de faciliteit.

Het ALS-U-project zal de faciliteit in de voorhoede houden van onderzoek met behulp van "zachte" röntgenstralen, die zeer geschikt zijn voor studies van de chemische, elektronisch, en magnetische eigenschappen van materialen. Zachte röntgenstralen kunnen worden gebruikt in studies met lichtere elementen zoals koolstof, zuurstof, en stikstof, en hebben een lagere energie dan "harde" röntgenstralen die dieper in monsters kunnen doordringen.

Het zal ook de toegang tot "zachte" röntgenstralen uitbreiden, die een energiebereik innemen tussen harde en zachte röntgenstralen en nuttig kunnen zijn voor studies van de aarde, milieu, energie, en wetenschappen van de gecondenseerde materie.

Maar het bereiken van deze prestatie is een lastige prestatie, merkte Daniela Leitner op, die verantwoordelijk is voor het verwijderen en installeren van de versneller voor het ALS-U-project. De hoofdopslagring is ondergebracht in dikke betonnen tunnels die zijn ontworpen om in één ring te passen, en nu vereist de upgrade dat er een tweede ring wordt ingedrukt.

Accumulator ring om te functioneren als een mini ALS, zal de prestaties van de nieuwe opslagring verbeteren

"We moeten een 'mini-ALS' bouwen, '" Leitner zei, in de vorm van de accumulatorring. De accumulatorring zal ongeveer 600 voet in omtrek meten, terwijl de hoofdopslagring ongeveer 640 voet in omtrek zal zijn. Het moet ongeveer 6 1/2 voet boven de vloer worden geïnstalleerd, op sommige plaatsen slechts 7 inch onder de plafondhoogte - en past precies rond een binnenmuur zodat werknemers veilig door de ALS-tunnels kunnen navigeren.

Robin merkte op, "Dit is een ingewikkelde logistieke 'dans'. Het is een zeer beperkte ruimte, en er is apparatuur in de bestaande tunnel die moet worden verplaatst om ruimte te maken."

De accumulatorring is ontworpen om compact te zijn, met een lager gewicht, voetafdruk, en stroomverbruik in vergelijking met de bestaande opslagring.

De installatie van de accumulatorring - die mogelijk wordt gemaakt door het vrijgeven van fondsen door CD-3a - zal ook zorgvuldig worden georkestreerd om verstoringen van ALS-operaties tot een minimum te beperken, met installatiewerkzaamheden passen in de regelmatig geplande stilstandtijden voor de komende jaren. De ALS draait normaal gesproken 24/7 buiten de geplande uitvaltijden voor onderhoud.

Het plan is om de accumulatorring te installeren en te testen voorafgaand aan een geplande stopzetting van een jaar - met de mogelijkheid om de nieuwe ring zelfs tijdens reguliere ALS-operaties te testen. De sluitingsperiode, bekend als "donkere tijd, " zal de verwijdering van de bestaande opbergring en de installatie van de nieuwe opbergring mogelijk maken.

Door de accumulatorring vooraf te installeren, kan het projectteam de uitschakelperiode minimaliseren, waarvoor de verwijdering en vervanging van 400 ton apparatuur nodig is. Deze laatste fase van het project moet over een paar jaar beginnen.

De accumulatorring zal ongeveer 80 ton nieuwe apparatuur in de faciliteit brengen, met de bouw naar verwachting in de zomer van 2020. Er moeten tientallen grote apparaten worden geïnstalleerd, inclusief gespecialiseerde magnetische apparaten die helpen de elektronenstraal te buigen en te focussen. Deze magnetische apparaten maken deel uit van een reeks van zeven onderdelen die in elk van de 12 ALS-sectoren moeten worden geïnstalleerd en met vacuümbuizen moeten worden verbonden.

De installatie van de accumulatorring duurt naar schatting 53, 000 arbeidsuren en vereist de plaatsing van duizenden kabels.

Prototypes en simulaties om de montage te vergemakkelijken, installatie, probleemoplossen

Het ALS-U-projectteam heeft prototypes gebouwd en verworven voor de belangrijkste componenten van de accumulatorring, en heeft modellen van sommige van de accumulatorringapparatuur op hun ontworpen hoogte gebouwd om de beste installatiemethoden te vinden. Projectteams zullen ook volledig uitgeruste delen van de accumulatorring bouwen om hun uitlijning te meten en de geïntegreerde hardware voorafgaand aan de installatie te testen om het proces te versnellen.

Leitner zei dat ongeveer 80 procent van de installatie kan worden ondersteund door een bovenloopkraan die zwaar materieel in de tunnels zal tillen. maar er zijn ook plannen voor verhoogde platforms om de installatie te vergemakkelijken, en aangepaste liften om installatie mogelijk te maken waar de kraan niet kan worden gebruikt.

Steier zei dat technische verbeteringen in versnellersimulaties zouden moeten helpen om mogelijke problemen die zich kunnen voordoen bij de ingebruikname van de accumulatorring en opslagring van tevoren op te lossen en teniet te doen. De algoritmen houden rekening met verkeerd uitgelijnde magneten en fluctuaties in de voeding, bijvoorbeeld, die gebruikelijk zijn bij de bouw van grote versnellerfaciliteiten.

"In het algemeen, we simuleren alles vooraf, en na verloop van tijd zijn deze simulaties nauwkeuriger geworden, " hij zei, tot het punt dat de simulaties de ontwerpkeuzes voor de versnellerapparatuur daadwerkelijk kunnen sturen, en zou het opstartproces van ALS-U kunnen versnellen.

Robin zei, "Ik ben echt trots op wat het team de afgelopen jaren heeft bereikt."