Uma atualização da Fonte de Luz Avançada (ALS) no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Laboratório de Berkeley) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) ultrapassou um marco importante que ajudará a manter as capacidades de liderança mundial do ALS.

Em 23 de dezembro, o DOE concedeu a aprovação de uma etapa de financiamento fundamental que permitirá ao projeto iniciar a construção de um novo anel interno de armazenamento de elétrons. Conhecido como anel acumulador, este anel interno alimentará o principal anel de armazenamento de produção de luz da instalação atualizada, e faz parte do projeto de atualização (ALS-U).

Esta última aprovação, conhecido como CD-3a, autoriza uma importante liberação de recursos que serão utilizados na compra de equipamentos e aprova formalmente o início da construção do anel acumulador. Essa aprovação é uma etapa essencial em um processo de "decisão crítica" do DOE que envolve análises profundas em vários estágios principais do projeto.

"É empolgante poder finalmente começar a construção e ver todo o nosso trabalho árduo dar frutos e estar um passo mais perto de ter uma fonte de luz de próxima geração, "disse David Robin, diretor do projeto ALS-U.

O ALS produz luz ultrabright em uma faixa de comprimentos de onda, de infravermelho a raios-X de alta energia, acelerando os elétrons até quase a velocidade da luz e guiando-os ao longo de um caminho circular.

Matrizes poderosas de ímãs dobram o feixe de elétrons, fazendo com que ele emita luz que é canalizada por dezenas de linhas de luz para experimentos em uma ampla gama de áreas científicas - da física, Medicina, e da química à biologia e geologia. Mais de 2, Mil cientistas de todo o mundo realizam experimentos nas instalações a cada ano.

Mais brilhante, mais feixes de laser, e elétrons 'reciclados'

Além de instalar o anel acumulador, o projeto de atualização substituirá o anel de armazenamento principal existente por um anel de armazenamento de próxima geração que reduzirá o tamanho dos feixes de luz em sua fonte de cerca de 100 mícrons (milionésimos de metro) para menos de 10 mícrons.

A combinação do anel acumulador e do anel de armazenamento principal atualizado permitirá feixes pelo menos 100 vezes mais brilhantes em energias-chave, e tornará os feixes mais semelhantes a laser, aumentando uma propriedade conhecida como coerência. Isso tornará possível revelar características em escala nanométrica de amostras, e observar os processos químicos e a função dos materiais em tempo real.

Hoje, elétrons no ALS são primeiro acelerados por um acelerador linear (direto) e um anel de reforço antes de serem transferidos para o anel de armazenamento que fornece luz para as linhas de luz. Após a atualização, elétrons do anel de reforço irão, em vez disso, para o anel acumulador, que reduzirá o tamanho e a propagação do feixe de elétrons e acumulará vários lotes ou "injeções" de pacotes de elétrons do anel de reforço antes de transferir os pacotes para o anel de armazenamento.

Reduzindo o perfil do feixe no anel acumulador, junto com uma técnica inovadora para trocar feixes de elétrons entre anéis ALS - e o uso de dispositivos magnéticos aprimorados chamados onduladores que balançam os elétrons e ajudam a estreitar o caminho da luz que eles emitem - permitirá o maior brilho do ALS atualizado.

O anel acumulador também "reciclará" os feixes de elétrons que chegam - por meio de uma linha de transferência do anel de armazenamento principal - que possuem uma carga esgotada. Isso irá restaurá-los para uma carga mais alta e alimentá-los de volta para o anel de armazenamento.

Esta reciclagem de feixes de elétrons, conhecido como "troca de trem em grupo, "é um recurso de design exclusivo do ALS atualizado que também pode ser útil se for adotado em outras instalações de aceleradores ao redor do globo. Reduzirá o número de elétrons perdidos, por sua vez, reduzindo a carga de trabalho para a produção de elétrons da instalação.

Para permitir trocas de trem de feixe de elétrons precisamente cronometradas entre o anel acumulador e os anéis de reforço e de armazenamento, são necessárias três linhas de transferência.

Uma dessas linhas de transferência entregará pacotes de elétrons do anel de reforço para o anel acumulador, onde o tamanho dos cachos será reduzido e a carga progressivamente aumentada, antes de entregá-los por meio de outra linha de transferência ao anel de armazenamento principal. Uma terceira linha de transferência permitirá que o excesso de elétrons, que de outra forma seriam descartados, entre novamente no anel acumulador para reutilização.

"Cada projeto de atualização deve contribuir para a tecnologia do acelerador e impulsionar o campo de alguma forma, "Robin disse." Instalações e atualizações de última geração na Europa e nos EUA implementaram a tecnologia da qual estamos utilizando. Usar um acumulador com injeção de troca de trem em grupo é uma das nossas principais contribuições. "

Na vanguarda da ciência de raios-X "suave" e "delicada"

Robin creditou a Christoph Steier, quem é o líder de sistemas aceleradores para o projeto ALS-U, e sua equipe para desenvolver a técnica de troca de trem em grupo e tecnologias relacionadas que são críticas para o desempenho aprimorado da instalação.

O projeto ALS-U manterá a instalação na vanguarda da pesquisa usando raios-X "suaves", que são adequados para estudos do produto químico, eletrônico, e propriedades magnéticas dos materiais. Os raios X suaves podem ser usados ​​em estudos envolvendo elementos mais leves como o carbono, oxigênio, e nitrogênio, e têm uma energia mais baixa do que os raios X "duros", que podem penetrar mais profundamente nas amostras.

Ele também irá expandir o acesso a raios-X "sensíveis", que ocupam uma faixa de energia entre os raios-X duros e moles e podem ser úteis para estudos da Terra, de Meio Ambiente, energia, e ciências da matéria condensada.

Mas alcançar esse desempenho é uma tarefa complicada, observou Daniela Leitner, quem é responsável pela remoção e instalação do acelerador para o projeto ALS-U. O anel de armazenamento principal está alojado em túneis de concreto grossos projetados para caber em um anel, e agora a atualização requer que um segundo anel seja inserido.

Anel acumulador para funcionar como um mini ALS, aumentará o desempenho do novo anel de armazenamento

"Precisamos construir um 'mini ALS, '"Leitner disse, na forma de anel acumulador. O anel acumulador medirá cerca de 600 pés de circunferência, enquanto o anel de armazenamento principal terá cerca de 640 pés de circunferência. Deve ser instalado cerca de 6 1/2 pés acima do chão, apenas 7 polegadas abaixo da altura do teto em alguns lugares - e cabem confortavelmente em torno de uma parede interna para permitir que os trabalhadores naveguem com segurança pelos túneis do ALS.

Robin notou, “Esta é uma 'dança' logística complicada. É um espaço muito confinado, e há equipamento no túnel existente que precisa ser movido para abrir espaço. "

O anel acumulador é projetado para ser compacto, com peso reduzido, pegada, e consumo de energia em comparação com o anel de armazenamento existente.

A instalação do anel do acumulador - que é habilitada pela liberação de fundos do CD-3a - também será cuidadosamente orquestrada para minimizar interrupções nas operações do ALS, com o trabalho de instalação ajustado aos períodos de inatividade programados regularmente ao longo dos próximos anos. O ALS normalmente funciona 24 horas por dia, 7 dias por semana, fora dos períodos de inatividade programados para manutenção.

O plano é instalar e testar o anel do acumulador antes de um desligamento planejado de um ano - com potencial para testar o novo anel mesmo durante as operações regulares do ALS. O período de desligamento, conhecido como "tempo escuro, "permitirá a remoção do anel de armazenamento existente e a instalação do novo anel de armazenamento.

Instalar o anel acumulador com antecedência permite que a equipe do projeto minimize o período de desligamento, o que exigirá a retirada e substituição de 400 toneladas de equipamentos. Esta fase final do projeto está programada para começar em alguns anos.

O anel acumulador trará cerca de 80 toneladas de novos equipamentos para a instalação, com construção prevista para começar no verão de 2020. Existem dezenas de equipamentos importantes para instalar, incluindo dispositivos magnéticos especializados que ajudam a dobrar e focar o feixe de elétrons. Esses dispositivos magnéticos fazem parte de um conjunto de sete peças que devem ser instaladas em cada um dos 12 setores do ALS e conectadas por tubos a vácuo.

A instalação do anel acumulador levará cerca de 53, 000 horas de trabalho e requer a colocação de milhares de cabos.

Protótipos e simulações para facilitar a montagem, instalação, solução de problemas

A equipe do projeto ALS-U construiu e adquiriu protótipos para os principais componentes do anel acumulador, e construiu modelos de alguns dos equipamentos do anel acumulador em sua altura projetada para encontrar os melhores métodos de instalação. As equipes do projeto também construirão seções totalmente equipadas do anel acumulador para medir seu alinhamento e testar o hardware integrado antes da instalação para ajudar a acelerar o processo.

Leitner disse que cerca de 80 por cento da instalação pode ser assistida por uma ponte rolante que levará equipamentos pesados ​​para os túneis, mas também existem planos para plataformas elevadas para facilitar a instalação, e elevadores personalizados para permitir a instalação onde o guindaste não pode ser usado.

Steier disse que as melhorias técnicas nas simulações do acelerador devem ajudar a solucionar e negar problemas potenciais com antecedência que podem surgir com o comissionamento do anel acumulador e anel de armazenamento. Os algoritmos são responsáveis ​​por ímãs desalinhados e flutuações da fonte de alimentação, por exemplo, que são comuns na construção de grandes instalações de aceleradores.

"Em geral, simulamos tudo de antemão, e com o tempo essas simulações se tornaram mais precisas, " ele disse, ao ponto que as simulações podem realmente orientar as escolhas de design para o equipamento do acelerador, e pode acelerar o processo de inicialização do ALS-U.

Robin disse, "Estou muito orgulhoso do que a equipe conquistou nos últimos anos."