Milepæl i Advanced Light Source-opgraderingsprojektet vil bringe en ny ring ind

En opgradering af den avancerede lyskilde (ALS) ved det amerikanske energiministeriums (DOE's) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har passeret en vigtig milepæl, der vil hjælpe med at opretholde ALS' verdensledende kapaciteter.

Den 23. december gav DOE godkendelse til et vigtigt finansieringstrin, der vil gøre det muligt for projektet at starte konstruktionen af ​​en ny indre elektronlagringsring. Kendt som en akkumulatorring, denne indre ring vil fodre det opgraderede anlægs vigtigste lysproducerende lagerring, og er en del af opgraderingsprojektet (ALS-U).

Denne seneste godkendelse, kendt som CD-3a, godkender en vigtig frigivelse af midler, der vil blive brugt til indkøb af udstyr og godkender formelt starten af ​​byggeriet på akkumulatorringen. Denne godkendelse er et væsentligt trin i en DOE "kritisk beslutningsproces", der involverer dybdegående gennemgange på flere vigtige projektstadier.

"Det er spændende endelig at være i stand til at starte byggeriet og se alt vores hårde arbejde blive til virkelighed og at komme et skridt tættere på at have en næste generations lyskilde, " sagde David Robin, direktør for ALS-U-projektet.

ALS producerer ultraklart lys over en række bølgelængder, fra infrarød til højenergi røntgenstråler, ved at accelerere elektroner til næsten lysets hastighed og lede dem langs en cirkulær bane.

Kraftige arrays af magneter bøjer elektronstrålen, får det til at udsende lys, der kanaliseres ned ad snesevis af strålelinjer til eksperimenter inden for en lang række videnskabelige områder – fra fysik, medicin, og kemi til biologi og geologi. Mere end 2, 000 forskere fra hele verden udfører eksperimenter på anlægget hvert år.

Lysere, mere laserlignende stråler, og 'genbrugte' elektroner

Ud over at installere akkumulatorringen, opgraderingsprojektet vil erstatte den eksisterende hovedlagerring med en næste generations lagerring, der vil reducere størrelsen af ​​lysstrålerne ved deres kilde fra omkring 100 mikron (milliontedele af en meter) til under 10 mikron.

Kombinationen af ​​akkumulatorringen og opgraderet hovedlagerring vil muliggøre mindst 100 gange lysere stråler ved nøgleenergier, og vil gøre strålerne mere laserlignende ved at forbedre en egenskab kendt som kohærens. Dette vil gøre det muligt at afsløre træk på nanometerskala af prøver, og at observere kemiske processer og materialers funktion i realtid.

I dag, elektroner ved ALS accelereres først af en lineær (lige) accelerator og en boosterring, før de overføres til lagerringen, der føder lys til strålelinjerne. Efter opgraderingen, elektroner fra boosterringen vil i stedet gå til akkumulatorringen, hvilket vil reducere størrelsen og spredningen af ​​elektronstrålen og akkumulere flere batcher eller "injektioner" af elektronbundter fra boosterringen, før bundter overføres til lagerringen.

Krympning af stråleprofilen i akkumulatorringen, sammen med en innovativ teknik til at udskifte elektronbundter mellem ALS-ringe - og brugen af ​​forbedrede magnetiske enheder kaldet undulatorer, der vrikker elektronerne og hjælper med at indsnævre vejen for det lys, de udsender - vil muliggøre den højere lysstyrke af den opgraderede ALS.

Akkumulatorringen vil også "genbruge" indkommende elektronbundter - via en overførselsledning fra hovedlagerringen - der har en opbrugt ladning. Det vil genoprette dem til en højere opladning og føre dem tilbage i opbevaringsringen.

Denne genbrug af elektroner, kendt som "bytte af floktog, " er en unik designfunktion ved den opgraderede ALS, som også kan vise sig nyttig, hvis den bliver brugt på andre acceleratorfaciliteter rundt om i verden. Det vil reducere antallet af tabte elektroner, til gengæld reducerer arbejdsbyrden for anlæggets produktion af elektroner.

For at tillade præcist timede elektronbundt-tog-udvekslinger mellem akkumulatorringen og booster- og lagerringene, tre overførselslinjer er nødvendige.

En af disse overførselslinjer vil levere bundter af elektroner fra boosterringen til akkumulatorringen, hvor størrelsen af ​​klaserne vil blive reduceret og afgiften gradvist øget, før de leveres via en anden overførselsledning til hovedlagerringen. En tredje overførselsledning vil tillade overskydende elektroner, som ellers ville blive kasseret, at genindtræde i akkumulatorringen til genbrug.

"Hvert opgraderingsprojekt bør bidrage til acceleratorteknologi og skubbe feltet fremad på en eller anden måde, " sagde Robin. "De seneste avancerede faciliteter og opgraderinger i Europa og USA har implementeret teknologi, som vi gør brug af. Brugen af ​​en akkumulator med udskiftningsindsprøjtning er et af vores vigtigste bidrag."

På forkant med 'blød' og 'øm' røntgenvidenskab

Robin krediterede Christoph Steier, hvem er Accelerator Systems Lead for ALS-U-projektet, og hans team for at udvikle teknikken til udskiftning af floktog og relaterede teknologier, der er afgørende for anlæggets forbedrede ydeevne.

ALS-U-projektet vil holde anlægget på forkant med forskning ved hjælp af "bløde" røntgenstråler, som er velegnede til undersøgelser af kemikaliet, elektronisk, og materialers magnetiske egenskaber. Bløde røntgenstråler kan bruges i undersøgelser, der involverer lettere grundstoffer som kulstof, ilt, og nitrogen, og har en lavere energi end "hårde" røntgenstråler, der kan trænge dybere ind i prøver.

Det vil også udvide adgangen til "ømme" røntgenstråler, som optager et energiområde mellem hårde og bløde røntgenstråler og kan være nyttige til studier af jorden, miljø, energi, og kondenseret stof videnskaber.

Men at opnå denne præstation er en vanskelig bedrift, bemærkede Daniela Leitner, der er ansvarlig for acceleratorfjernelse og installation for ALS-U projektet. Hovedlagerringen er anbragt i tykke betontunneler designet til at passe til én ring, og nu kræver opgraderingen, at en anden ring klemmes ind.

Akkumulatorring til at fungere som en mini ALS, vil øge ydeevnen af ​​den nye opbevaringsring

"Vi er nødt til at bygge en 'mini ALS, '" sagde Leitner, i form af akkumulatorringen. Akkumulatorringen vil måle omkring 600 fod i omkreds, mens hovedlagerringen vil være omkring 640 fod i omkreds. Det skal installeres ca. 6 1/2 fod over gulvet, kun 7 tommer under loftshøjden nogle steder – og passer tæt omkring en indvendig væg for at give arbejdere mulighed for sikkert at navigere i ALS' tunneler.

Robin bemærkede, "Dette er en kompliceret logistisk 'dans'. Det er et meget begrænset rum, og der er udstyr i den eksisterende tunnel, som skal flyttes for at få plads."

Akkumulatorringen er designet til at være kompakt, med nedsat vægt, fodspor, og strømforbrug i forhold til den eksisterende lagerring.

Akkumulatorringsinstallationen – som er aktiveret af CD-3a-udgivelsen af ​​midler – vil også blive omhyggeligt orkestreret for at minimere forstyrrelser i ALS-drift, med installationsarbejde indpasset i regelmæssige planlagte nedetider i løbet af de næste par år. ALS kører typisk 24/7 uden for planlagte vedligeholdelsesnedetider.

Planen er at installere og teste akkumulatorringen før en planlagt årelang nedlukning - med potentiale til at teste den nye ring selv under almindelige ALS-operationer. Nedlukningsperioden, kendt som "mørketid, " vil tillade fjernelse af den eksisterende opbevaringsring og installation af den nye opbevaringsring.

Installation af akkumulatorringen på forhånd gør det muligt for projektteamet at minimere nedlukningsperioden, hvilket vil kræve fjernelse og udskiftning af 400 tons udstyr. Denne sidste fase af projektet er planlagt til at begynde om et par år.

Akkumulatorringen vil bringe omkring 80 tons nyt udstyr ind i anlægget, med byggeriet forventes at begynde i sommeren 2020. Der er snesevis af større udstyr, der skal installeres, herunder specialiserede magnetiske enheder, der hjælper med at bøje og fokusere elektronstrålen. Disse magnetiske enheder er en del af en række af syv stykker, der skal installeres i hver af de 12 ALS-sektorer og forbindes med vakuumrør.

Akkumulatorringens installation vil tage anslået 53, 000 arbejdstimer og kræver placering af tusindvis af kabler.

Prototyper og simuleringer for at lette montering, installation, fejlfinding

ALS-U projektteamet har bygget og anskaffet prototyper til nøglekomponenter i akkumulatorringen, og har konstrueret modeller af noget af akkumulatorringsudstyret i deres designede højde for at finde de bedste installationsmetoder. Projektholdene vil også bygge fuldt udstyrede sektioner af akkumulatorringen for at måle deres justering og teste den integrerede hardware før installation for at hjælpe med at fremskynde processen.

Leitner sagde, at omkring 80 procent af installationen kan assisteres af en traverskran, der vil løfte tungt udstyr ind i tunnelerne, men der er også planer om forhøjede platforme for at lette installationen, og tilpassede lifte for at muliggøre installation, hvor kranen ikke kan bruges.

Steier sagde, at tekniske forbedringer i acceleratorsimuleringer skulle hjælpe med at fejlfinde og fjerne potentielle problemer på forhånd, der kan opstå med idriftsættelsen af ​​akkumulatorringen og lagerringen. Algoritmerne tager højde for fejljusterede magneter og strømforsyningsfluktuationer, for eksempel, der er almindelige med at bygge store acceleratoranlæg.

"Generelt, vi simulerer alt på forhånd, og med tiden er disse simuleringer blevet mere nøjagtige, " han sagde, til det punkt, at simuleringerne faktisk kan vejlede designvalg for acceleratorudstyret, og kunne fremskynde ALS-U-startprocessen.

Robin sagde, "Jeg er virkelig stolt af, hvad holdet har opnået i løbet af de sidste par år."