Nationale laboratorier ser på fremtiden for lyskilder med ny magnetprototype

Med et kraftigt nok lys, du kan se ting, som folk engang troede ville være umulige. Storskala lyskildefaciliteter genererer det kraftfulde lys, og videnskabsmænd bruger det til at skabe mere holdbare materialer, bygge mere effektive batterier og computere, og lær mere om den naturlige verden.

Når det kommer til at bygge disse enorme faciliteter, plads er penge. Hvis du kan få lysstråler med højere energi ud af mindre enheder, du kan spare millioner på byggeomkostninger. Læg dertil chancen for at forbedre mulighederne for eksisterende lyskilder markant, og du har motivationen bag et projekt, der har bragt forskere ved tre nationale laboratorier fra det amerikanske energiministerium sammen.

Dette team har netop opnået en vigtig milepæl, som har været undervejs i mere end 15 år:De har designet, bygget og fuldt testet en ny topmoderne halv meter lang prototypemagnet, der opfylder kravene til brug i eksisterende og fremtidige lyskildeanlæg.

Det næste skridt, ifølge Efim Gluskin, en fremtrædende stipendiat ved DOE's Argonne National Laboratory, er at skalere denne prototype op, bygge en, der er mere end en meter lang, og installer det på Advanced Photon Source, en DOE Office of Science brugerfacilitet i Argonne. Men selvom disse magneter vil være kompatible med lyskilder som APS, den reelle investering her, han sagde, er i næste generation af faciliteter, der endnu ikke er bygget.

"Denne teknologis reelle skala er til fremtidige fri-elektronlaserfaciliteter, " sagde Gluskin. "Hvis du reducerer størrelsen af ​​enheden, du reducerer størrelsen af ​​tunnelen, og hvis du kan gøre det, kan du spare titusindvis af millioner af dollars. Det gør en kæmpe forskel."

Det langsigtede mål bragte Gluskin og hans Argonne-kolleger i samarbejde med forskere fra Lawrence Berkeley National Laboratory og Fermi National Accelerator Laboratory, begge DOE-laboratorier. Hvert laboratorium har forfulgt superledende teknologi i årtier og har i de seneste år fokuseret forsknings- og udviklingsindsatser på en legering, der kombinerer niobium med tin.

Dette materiale forbliver i en superledende tilstand - hvilket betyder, at det ikke yder modstand mod strømmen, der løber igennem det - selvom det genererer høje magnetiske felter, hvilket gør den perfekt til at bygge det man kalder undulatormagneter. Lyskilder som APS genererer stråler af fotoner (lyspartikler) ved at suge den energi, der afgives af elektroner, mens de cirkulerer inde i en lagerring. Undulatormagneterne er de enheder, der omdanner denne energi til lys, og jo højere et magnetfelt du kan generere med dem, jo flere fotoner kan du oprette fra en enhed af samme størrelse.

Der er et par superledende undulatormagneter installeret ved APS nu, men de er lavet af en niobium-titanium legering, som i årtier har været standarden. Ifølge Søren Prestemon, seniorforsker ved Berkeley Lab, niobium-titanium superledere er gode til lavere magnetiske felter - de holder op med at være superledende ved omkring 10 teslaer. (Det er omkring 8, 000 gange stærkere end din typiske køleskabsmagnet.)

"Niobium-3 tin er mere kompliceret materiale, " sagde Prestemon, "men den er i stand til at transportere strøm ved et højere felt. Den er superledende op til 23 tesla, og ved lavere felter kan den føre tre gange strømmen som niobium-titanium. Disse magneter holdes kolde ved 4,2 Kelvin, hvilket er omkring minus 450 grader Fahrenheit, for at holde dem superledende."

Prestemon har været i spidsen for Berkeleys niobium-3 tinforskningsprogram, som begyndte tilbage i 1980'erne. Det nye design, udviklet hos Argonne, bygget på det tidligere arbejde fra Prestemon og hans kolleger.

"Dette er den første niobium-3 tin-undulator, der både har opfyldt de nuværende designspecifikationer og er blevet fuldt testet med hensyn til magnetfeltkvalitet til stråletransport, " han sagde.

Fermilab begyndte at arbejde med dette materiale i 1990'erne, ifølge Sasha Zlobin, der initierede og ledede niobium-3 tinmagnetprogrammet der. Fermilabs niobium-3 tinprogram har centreret sig om superledende magneter til partikelacceleratorer, som Large Hadron Collider på CERN i Schweiz og den kommende PIP-II lineære accelerator, skal bygges på Fermilab-grunden.

"Vi har vist succes med vores højfelts niobium-3 tinmagneter, " sagde Zlobin. "Vi kan anvende den viden til superledende undulatorer baseret på denne superleder."

En del af processen, ifølge holdet, har lært, hvordan man undgår for tidlig slukning i magneterne, når de nærmer sig det ønskede niveau af magnetfelt. Når magneterne mister deres evne til at lede strøm uden modstand, det resulterende tilbageslag kaldes en quench, og det eliminerer magnetfeltet og kan beskadige selve magneten.

Holdet rapporterede i Proceedings of the Applied Superconductivity Conference 2020, at deres nye enhed rummer næsten dobbelt så meget strøm med et højere magnetfelt end de niobium-titanium superledende undulatorer, der i øjeblikket er på plads ved APS.

Projektet trak på Argonnes erfaring med at bygge og drive superledende undulatorer og Berkeley og Fermilabs viden om niobium-3 tin. Fermilab hjalp med at guide processen, rådgiver om udvælgelse af superledende ledning og deler den seneste udvikling inden for deres teknologi. Berkeley designede et state-of-the-art system, der bruger avancerede computerteknikker til at detektere quenches og beskytte magneten.

I Argonne, prototypen blev designet, fremstillet, samlet og testet af en gruppe ingeniører og teknikere under vejledning af projektleder Ibrahim Kesgin, med bidrag til designet, konstruktion og test af medlemmer af APS superledende undulator-team ledet af Yury Ivanyushenkov.

Forskerholdet planlægger at installere deres prototype i fuld størrelse, som skulle være færdig næste år, i sektor 1 af APS, som gør brug af fotonstråler med højere energi til at kigge gennem tykkere materialeprøver. Dette vil være en prøveplads for enheden, viser, at den kan fungere efter designspecifikationer i en arbejdslyskilde. Men øjet, Gluskin siger, er på at overføre begge teknologier, niobium titanium og niobium-3 tin, til industrielle partnere og fremstilling af disse enheder til fremtidige højenergilyskildeanlæg.

"Nøglen har været stabilt og vedholdende arbejde, støttet af laboratorierne og DOEs forsknings- og udviklingsfonde, " sagde Gluskin. "Det har været trinvise fremskridt, trin for trin, at komme til dette punkt."