En uppgradering av Advanced Light Source (ALS) vid US Department of Energy's (DOE:s) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har passerat en viktig milstolpe som hjälper till att behålla ALS:s världsledande kapacitet.

Den 23 december beviljade DOE godkännande för ett viktigt finansieringssteg som gör att projektet kan börja bygga en ny inre elektronlagringsring. Känd som en ackumulatorring, denna inre ring kommer att mata den uppgraderade anläggningens främsta ljusproducerande lagringsring, och är en del av uppgraderingsprojektet (ALS-U).

Detta senaste godkännande, känd som CD-3a, godkänner en viktig frigöring av medel som kommer att användas för att köpa utrustning och formellt godkänner byggstart på ackumulatorringen. Detta godkännande är ett väsentligt steg i en DOE:s "kritiska beslut" -process som innefattar ingående granskningar vid flera viktiga projektstadier.

"Det är spännande att äntligen kunna börja bygga och se allt vårt hårda arbete gå i uppfyllelse och komma ett steg närmare att ha en nästa generations ljuskälla, "sa David Robin, chef för ALS-U-projektet.

ALS producerar ultralätt ljus över en rad våglängder, från infrarött till högenergiröntgen, genom att accelerera elektroner till nästan ljusets hastighet och leda dem längs en cirkulär väg.

Kraftfulla uppsättningar av magneter böjer elektronstrålen, får det att avge ljus som kanaliseras ner dussintals strållinjer för experiment inom ett brett spektrum av vetenskapliga områden - från fysik, medicin, och kemi till biologi och geologi. Mer än 2, 000 forskare från hela världen gör experiment på anläggningen varje år.

Ljusare, fler laserliknande strålar, och "återvunna" elektroner

Förutom att installera ackumulatorringen, uppgraderingsprojektet kommer att ersätta den befintliga huvudlagringsringen med en nästa generations lagringsring som kommer att minska storleken på ljusstrålarna vid deras källa från cirka 100 mikron (miljondelar av en meter) till under 10 mikron.

Kombinationen av ackumulatorringen och den uppgraderade huvudlagringsringen möjliggör minst 100 gånger ljusare strålar vid nyckelenergier, och kommer att göra strålarna mer laserliknande genom att förbättra en egenskap som kallas koherens. Detta kommer att göra det möjligt att avslöja nanometerskaliga egenskaper hos prover, och att observera kemiska processer och materialens funktion i realtid.

I dag, elektroner vid ALS accelereras först av en linjär (rak) accelerator och en boosterring innan de överförs till lagringsringen som matar ljus till strållinjerna. Efter uppgraderingen, elektroner från boosterringen går istället till ackumulatorringen, vilket kommer att minska storleken och spridningen av elektronstrålen och ackumulera flera satser eller "injektioner" av elektronbuntar från förstärkningsringen innan överföring av buntar till lagringsringen.

Krympning av strålprofilen i ackumulatorringen, tillsammans med en innovativ teknik för att byta elektronbuntar mellan ALS -ringar - och användningen av förbättrade magnetiska enheter som kallas undulatorer som vickar elektronerna och hjälper till att begränsa ljusets väg som de avger - kommer att möjliggöra högre ljusstyrka för den uppgraderade ALS.

Ackumulatorringen kommer också att "återvinna" inkommande elektronbuntar - via en överföringsledning från huvudlagringsringen - som har en utarmad laddning. Det kommer att återställa dem till en högre laddning och mata tillbaka dem till lagringsringen.

Denna elektronbuntåtervinning, känd som "gängstågsbyte, "är en unik designfunktion för den uppgraderade ALS som också kan vara användbar om den används vid andra acceleratoranläggningar runt om i världen. Det kommer att minska antalet förlorade elektroner, i sin tur minska arbetsbelastningen för anläggningens produktion av elektroner.

För att möjliggöra exakt tidsinställda elektronbunt-tågutbyten mellan ackumulatorringen och booster- och lagringsringarna, tre överföringslinjer behövs.

En av dessa överföringsledningar kommer att leverera massor av elektroner från förstärkningsringen till ackumulatorringen, där buntarnas storlek kommer att minskas och laddningen successivt ökas, innan du levererar dem via en annan överföringsledning till huvudlagringsringen. En tredje överföringsledning kommer att tillåta överskott av elektroner som annars skulle kasseras att komma in i ackumulatorringen igen för återanvändning.

"Varje uppgraderingsprojekt bör bidra till acceleratortekniken och driva fältet framåt på något sätt, "Robin sa." De senaste toppmoderna faciliteterna och uppgraderingarna i Europa och USA har implementerat teknik som vi använder. Att använda en ackumulator med bytesinjektion med tåg är ett av våra främsta bidrag. "

I framkant av "mjuk" och "öm" röntgenvetenskap

Robin krediterade Christoph Steier, som är Accelerator Systems Lead för ALS-U-projektet, och hans team för att utveckla bytet av bytesutbyte och relaterad teknik som är avgörande för anläggningens förbättrade prestanda.

ALS-U-projektet kommer att hålla anläggningen i spetsen för forskning med hjälp av "mjuka" röntgenstrålar, som är väl lämpade för studier av kemikalien, elektronisk, och magnetiska egenskaper hos material. Mjuka röntgenstrålar kan användas i studier med lättare element som kol, syre, och kväve, och har en lägre energi än "hårda" röntgenstrålar som kan tränga djupare in i prover.

Det kommer också att utöka tillgången till "ömma" röntgenstrålar, som upptar ett energiområde mellan hårda och mjuka röntgenstrålar och kan vara användbara för studier av jorden, miljö, energi, och kondenserade vetenskaper.

Men att uppnå denna prestation är en knepig bedrift, noterade Daniela Leitner, som ansvarar för borttagning och installation av acceleratorn för ALS-U-projektet. Huvudlagringsringen är inrymd i tjocka betongtunnlar utformade för att passa en ring, och nu kräver uppgraderingen att en andra ring kläms in.

Ackumulatorring för att fungera som en mini ALS, kommer att öka prestandan för den nya lagringsringen

"Vi måste bygga en" mini ALS, ", Sa Leitner, i form av ackumulatorring. Ackumulatorringen mäter cirka 600 fot i omkrets medan huvudlagringsringen kommer att vara cirka 640 fot i omkrets. Den måste installeras cirka 6 1/2 fot över golvet, bara 7 tum under takhöjden på vissa ställen - och passa tätt runt en innervägg så att arbetare kan navigera säkert i ALS -tunnlarna.

Robin noterade, "Det här är en komplicerad logistisk" dans ". Det är ett mycket trångt utrymme, och det finns utrustning i den befintliga tunneln som måste flyttas för att få plats. "

Ackumulatorringen är konstruerad för att vara kompakt, med en minskad vikt, fotavtryck, och strömförbrukning jämfört med den befintliga lagringsringen.

Ackumulatorringinstallationen-som aktiveras av CD-3a-frigivningen av medel-kommer också att ordnas noggrant för att minimera störningar i ALS-operationer, med installationsarbete passar in i regelbundet schemalagda stilleståndstider under de närmaste åren. ALS körs vanligtvis 24/7 utanför planerade underhållsstopp.

Planen är att installera och testa ackumulatorringen före en planerad årslång avstängning - med potential att testa den nya ringen även under vanliga ALS -operationer. Avstängningsperioden, känd som "mörk tid, "gör det möjligt att ta bort den befintliga lagringsringen och installera den nya lagringsringen.

Genom att installera ackumulatorringen i förväg kan projektgruppen minimera avstängningsperioden, vilket kommer att kräva borttagning och byte av 400 ton utrustning. Denna sista etapp av projektet beräknas börja om några år.

Ackumulatorringen kommer att ta med cirka 80 ton ny utrustning till anläggningen, byggandet förväntas påbörjas sommaren 2020. Det finns dussintals stora delar av utrustningen att installera, inklusive specialiserade magnetiska enheter som hjälper till att böja och fokusera elektronstrålen. Dessa magnetiska enheter är en del av en uppsättning av sju delar som måste installeras i var och en av de 12 ALS -sektorerna och anslutas med vakuumrör.

Ackumulatorringen kommer att ta uppskattningsvis 53, 000 arbetstimmar och kräver placering av tusentals kablar.

Prototyper och simuleringar för att underlätta montering, installation, felsökning

ALS-U-projektteamet har byggt och förvärvat prototyper för viktiga komponenter i ackumulatorringen, och har konstruerat modeller av några av ackumulatorringutrustningen på sin konstruerade höjd för att hitta de bästa installationsmetoderna. Projektpersonal kommer också att bygga ut fullt utrustade delar av ackumulatorringen för att mäta deras inriktning och testa den integrerade hårdvaran före installationen för att påskynda processen.

Leitner sa att cirka 80 procent av installationen kan assisteras av en overhead -kran som kommer att lyfta tung utrustning in i tunnlarna, men det finns också planer på förhöjda plattformar för att underlätta installationen, och anpassade hissar för att möjliggöra installation där kranen inte kan användas.

Steier sa att tekniska förbättringar av acceleratorsimuleringar bör hjälpa till att felsöka och negera potentiella problem i förväg som kan uppstå vid idrifttagning av ackumulatorringen och lagringsringen. Algoritmerna redogör för feljusterade magneter och strömförsörjningsfluktuationer, till exempel, som är vanliga med att bygga stora acceleratoranläggningar.

"I allmänhet, vi simulerar allt i förväg, och med tiden har dessa simuleringar blivit mer exakta, " han sa, till den grad att simuleringarna faktiskt kan styra designval för acceleratorutrustningen, och kan påskynda startprocessen för ALS-U.

Robin sa, "Jag är verkligen stolt över vad laget har åstadkommit de senaste åren."