son rendu en coupe du dôme Advanced Light Source montre la disposition de trois anneaux d'accélération d'électrons. Une nouvelle étape de validation dans le projet ALS Upgrade permettra l'installation de la bague médiane, connu sous le nom d'anneau d'accumulateur. Crédit :Matthaeus Leitner
Une mise à niveau de la source lumineuse avancée (ALS) au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) a franchi une étape importante qui aidera à maintenir les capacités de pointe de l'ALS.
Le 23 décembre, le DOE a approuvé une étape de financement clé qui permettra au projet de commencer la construction d'un nouvel anneau interne de stockage d'électrons. Connu sous le nom d'anneau d'accumulateur, cet anneau intérieur alimentera le principal anneau de stockage de production de lumière de l'installation modernisée, et fait partie du projet de mise à niveau (ALS-U).
Cette dernière approbation, connu sous le nom de CD-3a, autorise un important déblocage de fonds qui serviront à l'achat d'équipements et approuve formellement le démarrage de la construction de l'anneau accumulateur. Cette approbation est une étape essentielle dans un processus de « décision critique » du DOE qui implique des examens approfondis à plusieurs étapes clés du projet.
"C'est excitant de pouvoir enfin commencer la construction et de voir tout notre travail acharné se concrétiser et de faire un pas de plus vers une source lumineuse de nouvelle génération, " a déclaré David Robin, directeur du projet ALS-U.
L'ALS produit une lumière ultra-brillante sur une gamme de longueurs d'onde, de l'infrarouge aux rayons X de haute énergie, en accélérant les électrons à presque la vitesse de la lumière et en les guidant le long d'un chemin circulaire.
De puissants réseaux d'aimants courbent le faisceau d'électrons, l'amenant à émettre de la lumière qui est canalisée vers des dizaines de lignes de lumière pour des expériences dans un large éventail de domaines scientifiques - de la physique, Médicament, et de la chimie à la biologie et à la géologie. Plus de 2, Chaque année, des milliers de scientifiques du monde entier mènent des expériences dans l'installation.
Plus lumineux, des faisceaux plus laser, et des électrons « recyclés »
En plus d'installer la bague d'accumulateur, le projet de mise à niveau remplacera l'anneau de stockage principal existant par un anneau de stockage de nouvelle génération qui réduira la taille des faisceaux lumineux à leur source d'environ 100 microns (millionièmes de mètre) à moins de 10 microns.
La combinaison de l'anneau accumulateur et de l'anneau de stockage principal amélioré permettra des faisceaux au moins 100 fois plus lumineux aux énergies clés, et rendra les faisceaux plus proches du laser en améliorant une propriété connue sous le nom de cohérence. Cela permettra de révéler des caractéristiques à l'échelle nanométrique des échantillons, et d'observer les processus chimiques et la fonction des matériaux en temps réel.
Aujourd'hui, les électrons de l'ALS sont d'abord accélérés par un accélérateur linéaire (droit) et un anneau d'appoint avant d'être transférés vers l'anneau de stockage qui alimente les lignes de lumière en lumière. Après la mise à niveau, les électrons de l'anneau booster iront à la place à l'anneau accumulateur, ce qui réduira la taille et la propagation du faisceau d'électrons et accumulera de multiples lots ou "injections" de paquets d'électrons depuis l'anneau d'appoint avant de transférer les paquets vers l'anneau de stockage.
Rétrécissement du profil du faisceau dans l'anneau accumulateur, ainsi qu'une technique innovante pour échanger des paquets d'électrons entre les anneaux ALS - et l'utilisation de dispositifs magnétiques améliorés appelés onduleurs qui remuent les électrons et aident à réduire le trajet de la lumière qu'ils émettent - permettront une luminosité plus élevée de l'ALS amélioré.
L'anneau accumulateur "recyclera" également les paquets d'électrons entrants - via une ligne de transfert depuis l'anneau de stockage principal - qui ont une charge épuisée. Il les restaurera à une charge plus élevée et les réintroduira dans l'anneau de stockage.
Un modèle grandeur nature imprimé en 3D d'un composant d'anneau d'accumulateur connu sous le nom de sextupole (à gauche) se trouve au sommet d'un rack. Le tuyau métallique (au milieu) partant du centre du modèle représente un tuyau de faisceau d'électrons. Le modèle et le rack aident à planifier l'assemblage et l'installation de l'anneau d'accumulateur. Crédit :Marilyn Sargent/Berkeley Lab
Ce recyclage de paquets d'électrons, connu sous le nom de « échange de trains groupés », " est une caractéristique de conception unique de l'ALS améliorée qui pourrait également s'avérer utile si elle est adoptée dans d'autres installations d'accélérateurs dans le monde. Elle réduira le nombre d'électrons perdus, à son tour réduire la charge de travail pour la production d'électrons de l'installation.
Pour permettre des échanges par train de paquets d'électrons synchronisés avec précision entre l'anneau accumulateur et les anneaux booster et stockage, trois lignes de transfert sont nécessaires.
L'une de ces lignes de transfert va délivrer des paquets d'électrons de l'anneau booster à l'anneau accumulateur, où la taille des grappes sera réduite et la redevance progressivement augmentée, avant de les livrer via une autre ligne de transfert vers l'anneau de stockage principal. Une troisième ligne de transfert permettra aux électrons en excès qui seraient autrement rejetés de réintégrer l'anneau accumulateur pour être réutilisés.
« Chaque projet de mise à niveau devrait contribuer à la technologie des accélérateurs et faire avancer le domaine d'une manière ou d'une autre, " a déclaré Robin. " Les récentes installations et mises à niveau de pointe en Europe et aux États-Unis ont mis en œuvre la technologie que nous utilisons. L'utilisation d'un accumulateur avec injection d'échange de trains de paquets est l'une de nos principales contributions."
À la pointe de la science des rayons X « doux » et « tendre »
Robin a crédité Christoph Steier, qui est le responsable des systèmes d'accélérateur pour le projet ALS-U, et son équipe pour le développement de la technique de permutation des trains de paquets et des technologies associées qui sont essentielles pour l'amélioration des performances de l'installation.
Le projet ALS-U maintiendra l'installation à la pointe de la recherche utilisant des rayons X "mous", qui sont bien adaptés aux études du produit chimique, électronique, et les propriétés magnétiques des matériaux. Les rayons X mous peuvent être utilisés dans des études impliquant des éléments plus légers comme le carbone, oxygène, et de l'azote, et ont une énergie inférieure à celle des rayons X « durs » qui peuvent pénétrer plus profondément dans les échantillons.
Il élargira également l'accès aux rayons X « d'appel d'offres », qui occupent une gamme d'énergie entre les rayons X durs et mous et peuvent être utiles pour les études de la terre, environnemental, énergie, et les sciences de la matière condensée.
Mais atteindre cette performance est un exploit délicat, a noté Daniela Leitner, qui est responsable du retrait et de l'installation de l'accélérateur pour le projet ALS-U. L'anneau de stockage principal est logé dans des tunnels en béton épais conçus pour s'adapter à un anneau, et maintenant, la mise à niveau nécessite qu'un deuxième anneau soit inséré.
Anneau d'accumulateur pour fonctionner comme un mini ALS, augmentera les performances du nouvel anneau de stockage
"Nous devons construire une 'mini ALS', '" a déclaré Leitner, sous la forme de l'anneau accumulateur. L'anneau de l'accumulateur mesurera environ 600 pieds de circonférence tandis que l'anneau de stockage principal aura environ 640 pieds de circonférence. Il doit être installé à environ 6 1/2 pieds au-dessus du sol, à seulement 7 pouces sous la hauteur du plafond à certains endroits, et s'adapte parfaitement autour d'un mur intérieur pour permettre aux travailleurs de naviguer en toute sécurité dans les tunnels de l'ALS.
Robin a noté, "C'est une 'danse' logistique compliquée. C'est un espace très confiné, et il y a des équipements dans le tunnel existant qui doivent être déplacés pour faire de la place."
Le rendu montre un secteur d'équipement d'anneau d'accumulateur le long d'une paroi intérieure à la source lumineuse avancée. Crédit :Scott Burns/Laboratoire de Berkeley
La bague de l'accumulateur est conçue pour être compacte, avec un poids réduit, empreinte, et la consommation d'énergie par rapport à l'anneau de stockage existant.
L'installation de l'anneau d'accumulateurs - qui est rendue possible par le déblocage des fonds du CD-3a - sera également soigneusement orchestrée pour minimiser les perturbations des opérations de l'ALS, avec les travaux d'installation s'insèrent dans les temps d'arrêt régulièrement programmés au cours des prochaines années. L'ALS fonctionne généralement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7 en dehors des périodes d'arrêt de maintenance programmées.
Le plan est d'installer et de tester l'anneau accumulateur avant un arrêt planifié d'un an, avec la possibilité de tester le nouvel anneau même pendant les opérations régulières de l'ALS. La période d'arrêt, connu sous le nom de "temps sombre, " permettra le retrait de l'anneau de stockage existant et l'installation du nouvel anneau de stockage.
L'installation préalable de l'anneau accumulateur permet à l'équipe projet de minimiser la période d'arrêt, ce qui nécessitera l'enlèvement et le remplacement de 400 tonnes de matériel. Cette dernière étape du projet devrait démarrer dans quelques années.
L'anneau accumulateur apportera environ 80 tonnes de nouveaux équipements dans l'installation, avec un début de construction prévu à l'été 2020. Il y a des dizaines d'équipements majeurs à installer, y compris des dispositifs magnétiques spécialisés qui aident à plier et à focaliser le faisceau d'électrons. Ces dispositifs magnétiques font partie d'un ensemble de sept pièces qui doivent être installées dans chacun des 12 secteurs ALS et reliées par des tubes à vide.
L'installation de l'anneau d'accumulateur prendra environ 53, 000 heures-travailleurs et nécessite la pose de milliers de câbles.
Prototypes et simulations pour faciliter le montage, installation, dépannage
L'équipe du projet ALS-U a construit et acquis des prototypes pour les composants clés de l'anneau accumulateur, et a construit des modèles de certains des équipements d'anneau d'accumulateur à leur hauteur conçue pour trouver les meilleures méthodes d'installation. Les équipes du projet construiront également des sections entièrement équipées de l'anneau accumulateur pour mesurer leur alignement et tester le matériel intégré avant l'installation afin d'accélérer le processus.
Leitner a déclaré qu'environ 80% de l'installation peut être assistée par un pont roulant qui soulèvera des équipements lourds dans les tunnels, mais il est également prévu des plateformes surélevées pour faciliter l'installation, et des ascenseurs personnalisés pour permettre une installation là où la grue ne peut pas être utilisée.
Steier a déclaré que les améliorations techniques dans les simulations d'accélérateurs devraient aider à dépanner et à annuler les problèmes potentiels à l'avance qui pourraient survenir lors de la mise en service de l'anneau accumulateur et de l'anneau de stockage. Les algorithmes tiennent compte des aimants mal alignés et des fluctuations de l'alimentation, par exemple, qui sont communs à la construction de grandes installations d'accélérateurs.
"En général, on simule tout au préalable, et au fil du temps, ces simulations sont devenues plus précises, " il a dit, au point que les simulations peuvent effectivement guider les choix de conception des équipements de l'accélérateur, et pourrait accélérer le processus de démarrage de l'ALS-U.
Robin a dit, "Je suis vraiment fier de ce que l'équipe a accompli au cours des dernières années."
