Un aggiornamento dell'Advanced Light Source (ALS) presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha superato un importante traguardo che contribuirà a mantenere le capacità leader a livello mondiale dell'ALS.

Il 23 dicembre il DOE ha concesso l'approvazione per una fase di finanziamento chiave che consentirà al progetto di iniziare la costruzione di un nuovo anello di immagazzinamento di elettroni interno. Conosciuto come anello accumulatore, questo anello interno alimenterà l'anello di stoccaggio principale per la produzione di luce della struttura potenziata, e fa parte del progetto di aggiornamento (ALS-U).

Quest'ultima approvazione, noto come CD-3a, autorizza un importante rilascio di fondi che verranno utilizzati per l'acquisto di attrezzature e approva formalmente l'inizio della costruzione dell'anello accumulatore. Questa approvazione è un passaggio essenziale in un processo di "decisione critica" del DOE che prevede revisioni approfondite in diverse fasi chiave del progetto.

"È entusiasmante poter finalmente iniziare la costruzione e vedere tutto il nostro duro lavoro giungere a buon fine e fare un passo avanti verso una fonte di luce di nuova generazione, " ha detto David Robin, direttore del progetto ALS-U.

L'ALS produce luce ultrabrillante su una gamma di lunghezze d'onda, dagli infrarossi ai raggi X ad alta energia, accelerando gli elettroni quasi alla velocità della luce e guidandoli lungo un percorso circolare.

Potenti schiere di magneti piegano il fascio di elettroni, facendo sì che emetta luce che viene incanalata verso dozzine di linee di luce per esperimenti in una vasta gamma di aree scientifiche, dalla fisica, medicinale, e la chimica alla biologia e alla geologia. più di 2, 000 scienziati di tutto il mondo conducono esperimenti presso la struttura ogni anno.

più luminoso, più raggi simili a laser, ed elettroni "riciclati"

Oltre all'installazione dell'anello accumulatore, il progetto di aggiornamento sostituirà l'anello di accumulo principale esistente con un anello di accumulo di nuova generazione che ridurrà le dimensioni dei fasci di luce alla sorgente da circa 100 micron (milionesimi di metro) a meno di 10 micron.

La combinazione dell'anello accumulatore e dell'anello di accumulo principale aggiornato consentirà fasci almeno 100 volte più luminosi alle energie chiave, e renderà i raggi più simili al laser migliorando una proprietà nota come coerenza. Ciò consentirà di rivelare caratteristiche su scala nanometrica dei campioni, e per osservare i processi chimici e la funzione dei materiali in tempo reale.

Oggi, gli elettroni della SLA vengono prima accelerati da un acceleratore lineare (diretto) e da un anello booster prima di essere trasferiti all'anello di accumulo che fornisce luce alle linee di luce. Dopo l'aggiornamento, gli elettroni dall'anello booster andranno invece all'anello accumulatore, che ridurrà la dimensione e la diffusione del fascio di elettroni e accumulerà più lotti o "iniezioni" di grappoli di elettroni dall'anello booster prima di trasferire grappoli all'anello di accumulo.

Contrazione del profilo del raggio nell'anello dell'accumulatore, insieme a una tecnica innovativa per scambiare i fasci di elettroni tra gli anelli della SLA e l'uso di dispositivi magnetici migliorati chiamati ondulatori che muovono gli elettroni e aiutano a restringere il percorso della luce che emettono, consentirà la maggiore luminosità della SLA potenziata.

L'anello dell'accumulatore "riciclerà" anche i fasci di elettroni in ingresso, tramite una linea di trasferimento dall'anello di stoccaggio principale, che hanno una carica esaurita. Li ripristinerà a una carica più elevata e li reimmetterà nell'anello di stoccaggio.

Questo riciclaggio di grappoli di elettroni, noto come "scambio di treni a grappolo, " è una caratteristica di design unica dell'ALS aggiornato che potrebbe rivelarsi utile anche se adottata in altre strutture di accelerazione in tutto il mondo. Ridurrà il numero di elettroni persi, riducendo a sua volta il carico di lavoro per la produzione di elettroni da parte dell'impianto.

Per consentire scambi di fasci di elettroni precisamente sincronizzati tra l'anello accumulatore e gli anelli booster e accumulatori, sono necessarie tre linee di trasferimento.

Una di queste linee di trasferimento fornirà grappoli di elettroni dall'anello booster all'anello dell'accumulatore, dove la dimensione dei grappoli sarà ridotta e la carica progressivamente aumentata, prima di consegnarli tramite un'altra linea di trasferimento all'anello di stoccaggio principale. Una terza linea di trasferimento consentirà agli elettroni in eccesso che altrimenti verrebbero scartati di rientrare nell'anello dell'accumulatore per il riutilizzo.

"Ogni progetto di aggiornamento dovrebbe contribuire alla tecnologia degli acceleratori e spingere il campo in avanti in qualche modo, " ha detto Robin. "Recenti strutture e aggiornamenti all'avanguardia in Europa e negli Stati Uniti hanno implementato la tecnologia di cui stiamo facendo uso. L'utilizzo di un accumulatore con iniezione di scambio dei treni a grappolo è uno dei nostri principali contributi".

All'avanguardia nella scienza dei raggi X "morbida" e "tenera"

Robin ha accreditato Christoph Steier, chi è l'Accelerator Systems Lead per il progetto ALS-U, e il suo team per lo sviluppo della tecnica di sostituzione dei treni a grappolo e delle tecnologie correlate che sono fondamentali per le prestazioni migliorate della struttura.

Il progetto ALS-U manterrà la struttura all'avanguardia nella ricerca utilizzando raggi X "morbidi", che ben si adattano agli studi della chimica, elettronico, e proprietà magnetiche dei materiali. I raggi X molli possono essere utilizzati negli studi che coinvolgono elementi più leggeri come il carbonio, ossigeno, e azoto, e hanno un'energia inferiore rispetto ai raggi X "duri" che possono penetrare più in profondità nei campioni.

Amplierà anche l'accesso ai raggi X "teneri", che occupano una gamma di energia tra i raggi X duri e molli e possono essere utili per studi sulla terra, ambientale, energia, e scienze della materia condensata.

Ma raggiungere questa performance è un'impresa difficile, ha osservato Daniela Leitner, responsabile della rimozione e installazione dell'acceleratore per il progetto ALS-U. L'anello di stoccaggio principale è alloggiato in spessi tunnel di cemento progettati per adattarsi a un anello, e ora l'aggiornamento richiede l'inserimento di un secondo anello.

Anello accumulatore per funzionare come mini SLA, aumenterà le prestazioni del nuovo anello di archiviazione

"Dobbiamo costruire una 'mini SLA, '" Leitner ha detto, sotto forma di anello accumulatore. L'anello dell'accumulatore misurerà circa 600 piedi di circonferenza mentre l'anello di immagazzinamento principale avrà una circonferenza di circa 640 piedi. Deve essere installato a circa 6 piedi e mezzo dal pavimento, solo 7 pollici sotto l'altezza del soffitto in alcuni punti e si adatta perfettamente a una parete interna per consentire ai lavoratori di navigare in sicurezza nei tunnel dell'ALS.

Robin ha notato, "Questo è un 'ballo' logistico complicato. È uno spazio molto ristretto, e ci sono apparecchiature nel tunnel esistente che devono essere spostate per fare spazio".

L'anello dell'accumulatore è progettato per essere compatto, con un peso ridotto, orma, e consumo energetico rispetto all'anello di archiviazione esistente.

Anche l'installazione dell'anello di accumulatori, resa possibile dal rilascio di fondi CD-3a, sarà attentamente orchestrata per ridurre al minimo le interruzioni delle operazioni di ALS, con i lavori di installazione si inseriscono nei tempi di fermo regolarmente programmati nei prossimi anni. L'ALS in genere funziona 24 ore su 24, 7 giorni su 7, al di fuori dei tempi di fermo per manutenzione programmata.

Il piano consiste nell'installare e testare l'anello dell'accumulatore prima di un arresto pianificato di un anno, con la possibilità di testare il nuovo anello anche durante le normali operazioni ALS. Il periodo di chiusura, noto come "tempo buio, " consentirà la rimozione dell'anello di stoccaggio esistente e l'installazione del nuovo anello di stoccaggio.

L'installazione anticipata dell'anello dell'accumulatore consente al team di progetto di ridurre al minimo il periodo di arresto, che richiederà la rimozione e la sostituzione di 400 tonnellate di attrezzature. Questa fase finale del progetto dovrebbe iniziare tra qualche anno.

L'anello accumulatore porterà circa 80 tonnellate di nuove attrezzature nella struttura, con l'inizio della costruzione previsto nell'estate del 2020. Ci sono dozzine di apparecchiature importanti da installare, compresi dispositivi magnetici specializzati che aiutano a piegare e focalizzare il fascio di elettroni. Questi dispositivi magnetici fanno parte di una schiera di sette pezzi che devono essere installati in ciascuno dei 12 settori ALS e collegati tramite tubi sottovuoto.

L'installazione dell'anello dell'accumulatore richiederà circa 53, 000 ore di lavoro e richiede il posizionamento di migliaia di cavi.

Prototipi e simulazioni per facilitare il montaggio, installazione, Risoluzione dei problemi

Il team del progetto ALS-U ha costruito e acquisito prototipi per i componenti chiave dell'anello dell'accumulatore, e ha costruito modelli di alcune delle apparecchiature ad anello dell'accumulatore alla loro altezza progettata per trovare i migliori metodi di installazione. Le squadre di progetto costruiranno anche sezioni completamente attrezzate dell'anello dell'accumulatore per misurare il loro allineamento e testare l'hardware integrato prima dell'installazione per accelerare il processo.

Leitner ha affermato che circa l'80% dell'installazione può essere assistito da un carroponte che solleverà attrezzature pesanti nei tunnel, ma ci sono anche piani per piattaforme sopraelevate per facilitare l'installazione, e ascensori personalizzati per consentire l'installazione dove la gru non può essere utilizzata.

Steier ha affermato che i miglioramenti tecnici nelle simulazioni degli acceleratori dovrebbero aiutare a risolvere e annullare in anticipo i potenziali problemi che potrebbero sorgere con la messa in servizio dell'anello accumulatore e dell'anello di accumulo. Gli algoritmi tengono conto di magneti disallineati e fluttuazioni di alimentazione, Per esempio, che sono comuni con la costruzione di grandi impianti di accelerazione.

"Generalmente, simuliamo tutto in anticipo, e nel tempo queste simulazioni sono diventate più accurate, " Egli ha detto, al punto che le simulazioni possono effettivamente guidare le scelte progettuali per l'attrezzatura dell'acceleratore, e potrebbe accelerare il processo di avvio di ALS-U.

Robin ha detto, "Sono davvero orgoglioso di ciò che la squadra ha realizzato negli ultimi anni".