Una actualización de la fuente de luz avanzada (ALS) en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha superado un hito importante que ayudará a mantener las capacidades de liderazgo mundial de ALS.

El 23 de diciembre, el DOE otorgó la aprobación para un paso de financiamiento clave que permitirá que el proyecto comience la construcción de un nuevo anillo interno de almacenamiento de electrones. Conocido como anillo acumulador, este anillo interior alimentará el anillo de almacenamiento principal productor de luz de la instalación mejorada, y es parte del proyecto de actualización (ALS-U).

Esta última aprobación, conocido como CD-3a, autoriza una importante liberación de fondos que se utilizarán para la compra de equipos y aprueba formalmente el inicio de la construcción del anillo acumulador. Esta aprobación es un paso esencial en un proceso de "decisión crítica" del DOE que involucra revisiones en profundidad en varias etapas clave del proyecto.

"Es emocionante poder finalmente comenzar la construcción y ver que todo nuestro arduo trabajo se hace realidad y estar un paso más cerca de tener una fuente de luz de próxima generación". "dijo David Robin, director del proyecto ALS-U.

El ALS produce luz ultrabrillante en un rango de longitudes de onda, desde infrarrojos hasta rayos X de alta energía, acelerando los electrones hasta casi la velocidad de la luz y guiándolos a lo largo de una trayectoria circular.

Poderosos conjuntos de imanes doblan el haz de electrones, provocando que emita luz que se canaliza por docenas de líneas de luz para experimentos en una amplia gama de áreas científicas, desde la física, medicamento, y desde la química hasta la biología y la geología. Más de 2, Cada año, 000 científicos de todo el mundo realizan experimentos en la instalación.

Más brillante más rayos láser, y electrones 'reciclados'

Además de instalar el anillo acumulador, El proyecto de actualización reemplazará el anillo de almacenamiento principal existente con un anillo de almacenamiento de próxima generación que reducirá el tamaño de los haces de luz en su fuente de alrededor de 100 micrones (millonésimas de metro) a menos de 10 micrones.

La combinación del anillo acumulador y el anillo de almacenamiento principal mejorado permitirá al menos rayos 100 veces más brillantes en energías clave, y hará que los rayos sean más parecidos a los de un láser al mejorar una propiedad conocida como coherencia. Esto permitirá revelar características de muestras a escala nanométrica, y observar los procesos químicos y la función de los materiales en tiempo real.

Hoy dia, Los electrones en el ALS primero son acelerados por un acelerador lineal (recto) y un anillo de refuerzo antes de que se transfieran al anillo de almacenamiento que alimenta la luz a las líneas de luz. Después de la actualización, los electrones del anillo de refuerzo irán en su lugar al anillo del acumulador, lo que reducirá el tamaño y la dispersión del haz de electrones y acumulará múltiples lotes o "inyecciones" de racimos de electrones del anillo de refuerzo antes de transferir los racimos al anillo de almacenamiento.

Contracción del perfil de la viga en el anillo acumulador, junto con una técnica innovadora para intercambiar grupos de electrones entre anillos ALS, y el uso de dispositivos magnéticos mejorados llamados onduladores que mueven los electrones y ayudan a estrechar el camino de la luz que emiten, permitirán un mayor brillo de la ALS mejorada.

El anillo acumulador también "reciclará" los grupos de electrones entrantes, a través de una línea de transferencia desde el anillo de almacenamiento principal, que tienen una carga agotada. Los restaurará a una carga más alta y los devolverá al anillo de almacenamiento.

Este reciclaje de racimos de electrones, conocido como "cambio de tren de manojo, "es una característica de diseño única del ALS actualizado que también podría resultar útil si se adoptara en otras instalaciones de aceleradores de todo el mundo. Reducirá la cantidad de electrones perdidos, reduciendo a su vez la carga de trabajo para la producción de electrones de la instalación.

Para permitir intercambios de tren de manojo de electrones sincronizados con precisión entre el anillo acumulador y los anillos de refuerzo y almacenamiento, Se necesitan tres líneas de transferencia.

Una de estas líneas de transferencia entregará racimos de electrones desde el anillo de refuerzo al anillo acumulador, donde el tamaño de los racimos se reducirá y la carga aumentará progresivamente, antes de entregarlos a través de otra línea de transferencia al anillo de almacenamiento principal. Una tercera línea de transferencia permitirá que el exceso de electrones que de otro modo se descartarían vuelva a entrar en el anillo acumulador para su reutilización.

"Cada proyecto de actualización debe contribuir a la tecnología de aceleración e impulsar el campo de alguna manera, ", Dijo Robin." Las recientes instalaciones de vanguardia y las actualizaciones en Europa y los EE. UU. Han implementado la tecnología que estamos utilizando. El uso de un acumulador con inyección de intercambio de trenes es una de nuestras principales contribuciones ".

A la vanguardia de la ciencia de los rayos X 'suaves' y 'tiernos'

Robin le dio crédito a Christoph Steier, quién es el líder de sistemas de aceleración para el proyecto ALS-U, y su equipo para desarrollar la técnica de intercambio de trenes de mano y las tecnologías relacionadas que son críticas para el desempeño mejorado de la instalación.

El proyecto ALS-U mantendrá la instalación a la vanguardia de la investigación utilizando rayos X "suaves", que se adaptan bien a los estudios de la química, electrónico, y propiedades magnéticas de los materiales. Los rayos X suaves se pueden utilizar en estudios que involucran elementos más ligeros como el carbono, oxígeno, y nitrógeno, y tienen una energía más baja que los rayos X "duros" que pueden penetrar más profundamente en las muestras.

También ampliará el acceso a radiografías "sensibles", que ocupan un rango de energía entre rayos X duros y blandos y pueden ser útiles para estudios de la tierra, ambiental, energía, y ciencias de la materia condensada.

Pero lograr esta actuación es una hazaña complicada, señaló Daniela Leitner, quien es responsable de la remoción e instalación del acelerador para el proyecto ALS-U. El anillo de almacenamiento principal está alojado en túneles de hormigón gruesos diseñados para encajar en un anillo, y ahora la actualización requiere que se apriete un segundo anillo.

Anillo acumulador para funcionar como mini ALS, aumentará el rendimiento del nuevo anillo de almacenamiento

"Necesitamos construir una 'mini ALS, '", Dijo Leitner, en forma de anillo acumulador. El anillo acumulador medirá aproximadamente 600 pies de circunferencia, mientras que el anillo de almacenamiento principal tendrá aproximadamente 640 pies de circunferencia. Debe instalarse a unos 6 1/2 pies sobre el piso, sólo 7 pulgadas por debajo de la altura del techo en algunos lugares, y se ajusta perfectamente alrededor de una pared interior para permitir que los trabajadores naveguen de manera segura por los túneles del ALS.

Robin señaló, “Este es un 'baile' logístico complicado. Es un espacio muy reducido, y hay equipos en el túnel existente que deben moverse para hacer espacio ".

El anillo acumulador está diseñado para ser compacto, con un peso reducido, huella, y consumo de energía en comparación con el anillo de almacenamiento existente.

La instalación del anillo acumulador, que está habilitada por la liberación de fondos CD-3a, también se organizará cuidadosamente para minimizar las interrupciones en las operaciones de ALS. con el trabajo de instalación se ajustan a los tiempos de inactividad programados regularmente durante los próximos años. El ALS normalmente funciona las 24 horas del día, los 7 días de la semana, fuera de los tiempos de inactividad programados por mantenimiento.

El plan es instalar y probar el anillo acumulador antes de un apagado planificado para un año, con la posibilidad de probar el nuevo anillo incluso durante las operaciones regulares de ALS. El período de cierre conocido como "tiempo oscuro, "permitirá la eliminación del anillo de almacenamiento existente y la instalación del nuevo anillo de almacenamiento.

La instalación anticipada del anillo acumulador permite al equipo del proyecto minimizar el período de parada, lo que requerirá el retiro y reemplazo de 400 toneladas de equipo. Está previsto que esta etapa final del proyecto comience en unos años.

El anillo acumulador traerá alrededor de 80 toneladas de nuevos equipos a la instalación, y se espera que la construcción comience en el verano de 2020. Hay docenas de equipos importantes para instalar, incluyendo dispositivos magnéticos especializados que ayudan a doblar y enfocar el haz de electrones. Estos dispositivos magnéticos forman parte de un conjunto de siete piezas que deben instalarse en cada uno de los 12 sectores ALS y conectarse mediante tubos de vacío.

La instalación del anillo acumulador tomará aproximadamente 53, 000 horas-trabajador y requiere la colocación de miles de cables.

Prototipos y simulaciones para facilitar el montaje, instalación, solución de problemas

El equipo del proyecto ALS-U ha construido y adquirido prototipos para componentes clave del anillo acumulador, y ha construido modelos de algunos de los equipos de anillo acumulador a la altura de diseño para encontrar los mejores métodos de instalación. Los equipos del proyecto también construirán secciones completamente equipadas del anillo acumulador para medir su alineación y probar el hardware integrado antes de la instalación para ayudar a acelerar el proceso.

Leitner dijo que alrededor del 80 por ciento de la instalación puede ser asistida por una grúa aérea que elevará equipo pesado a los túneles. pero también hay planes para plataformas elevadas para facilitar la instalación, y ascensores personalizados para permitir la instalación donde no se puede utilizar la grúa.

Steier dijo que las mejoras técnicas en las simulaciones de aceleradores deberían ayudar a solucionar y anular problemas potenciales con anticipación que puedan surgir con la puesta en servicio del anillo acumulador y el anillo de almacenamiento. Los algoritmos tienen en cuenta los imanes desalineados y las fluctuaciones de la fuente de alimentación, por ejemplo, que son comunes en la construcción de grandes instalaciones de aceleradores.

"En general, simulamos todo de antemano, y con el tiempo estas simulaciones se han vuelto más precisas, " él dijo, hasta el punto de que las simulaciones pueden orientar las opciones de diseño para el equipo del acelerador, y podría acelerar el proceso de inicio de ALS-U.

Robin dijo, "Estoy muy orgulloso de lo que el equipo ha logrado en los últimos años".