Komponen Upgrade APS lulus uji dingin pertama mereka

  • Whatsapp


Prototipe magnet superkonduktor baru untuk Sumber Foton Lanjutan yang ditingkatkan berhasil diturunkan ke suhu operasinya, jauh di bawah nol. Magnet baru ini akan membantu APS menghasilkan sinar-X yang lebih kuat dengan lebih efisien.

Bacaan Lainnya

n akhir musim gugur 2021, dua tim insinyur terpisah menempatkan hasil kerja bertahun-tahun melalui langkah mereka di dua gedung berbeda di Departemen Energi AS (KELINCI BETINA) Laboratorium Nasional Argonne.

Meskipun dibuat untuk melakukan tugas yang sangat berbeda, kedua komponen ini memiliki banyak kesamaan. Keduanya adalah perangkat superkonduktor, yang berarti mereka dapat menghasilkan medan magnet yang lebih tinggi secara lebih efisien daripada perangkat tradisional. Keduanya adalah teknologi baru, dirancang untuk peningkatan yang sedang berlangsung dari Sumber Foton Lanjutan (APS), sebuah KELINCI BETINA Fasilitas pengguna Office of Science di Argonne. Dan keduanya beroperasi pada suhu jauh di bawah titik beku — pada atau di bawah 4 Kelvin (kira-450 derajat Fahrenheit).

Kami senang dengan seberapa baik hal-hal bekerja dan berapa banyak yang kami pelajari, dan kami memiliki banyak kepercayaan diri untuk maju.” — Matt Kasa, insinyur, Laboratorium Nasional Argonne

Dan kedua komponen baru ini berhasil diturunkan ke suhu operasi baru-baru ini, lulus uji dingin pertama mereka dengan warna terbang.

Tes pertama ini merupakan tonggak utama bagi APS Proyek peningkatan, yang akan melihat cincin penyimpanan elektron saat ini di jantung APS diganti dengan sistem magnet yang canggih. yang ditingkatkan APS akan memberikan sinar-X yang sampai 500 kali lebih terang daripada yang dihasilkan saat ini, dan menawarkan para ilmuwan alat baru untuk menggunakan sinar-X itu untuk membuat bahan yang lebih kuat, baterai yang tahan lama, dan vaksin yang lebih efektif, untuk beberapa nama.

Undulator superkonduktor

Teknisi Jason Ackley mengerjakan model produksi pertama superkonduktor magnet undulator untuk Peningkatan Sumber Foton Tingkat Lanjut. Magnet ini beroperasi pada beberapa suhu yang berbeda, yang terdingin sekitar -450 derajat Fahrenheit. (Gambar oleh Jason Creps/Laboratorium Nasional Argonne.)

Argonne telah lama menjadi pemimpin dunia dalam teknologi magnet superkonduktor, khususnya dalam desain dan konstruksi magnet yang disebut superkonduktor undulator (SCU). Sumber cahaya seperti APS menghasilkan berkas foton (partikel cahaya) dengan menyedot energi yang dilepaskan oleh elektron saat mereka beredar di dalam cincin penyimpanan, melewati medan magnet. Magnet undulator adalah perangkat khusus yang secara efisien mengubah energi itu menjadi cahaya, dan semakin tinggi medan magnet yang dapat dihasilkan dengannya, semakin banyak foton yang dapat dibuat. Undulator adalah elektromagnet, yang menciptakan medan magnet yang kuat dengan melewatkan arus melalui loop kawat.

Ada tiga SCU yang saat ini digunakan di APS. Sekarang tim yang sama yang telah merancang, membangun, dan menguji SCU untuk 10 tahun sedang mengerjakan perangkat magnet baru untuk APS Meningkatkan. Perangkat baru ini masing-masing berisi dua SCU, yang dua kali lebih panjang dari magnet aslinya. Empat dari perangkat ini dijadwalkan untuk dipasang di upgrade APS, dan salah satu hal rumit tentangnya adalah bahwa bagian yang berbeda dari perangkat akan beroperasi pada suhu yang berbeda. Sedangkan magnet di dalam cryostat (yang menjaga suhu cryogenic) harus 4 Kelvin (tentang –450 derajat Fahrenheit), ruang balok harus 20 Kelvin (sekitar –420 derajat), sedangkan pelindung termal — cangkang logam yang menutupi segalanya — harus tetap ada 45 Kelvin (tentang –380 derajat).

Kami telah membangun untuk pendinginan selama beberapa tahun, ”kata insinyur Argonne Matt Kasa. sayaItu adalah perasaan ketidakpastian bersama dengan kegembiraan. Tetapi suhu mencapai apa yang kami harapkan, dan kami belajar banyak. Kami dapat memastikan bahwa kami dapat memberi energi pada magnet di dalam cryostat, yang merupakan tonggak sejarah besar bagi tim.”

Hanya merakit SCU karena uji dinginnya adalah usahanya sendiri. Magnet itu sendiri dibuat dengan tangan dan sangat presisi — hampir dua mil kawat superkonduktor berbasis niobium-titanium digunakan untuk masing-masingnya, dan jarak antara setiap angin dari kawat menentukan kekuatan medan magnet. Magnet dihubungkan ke rakitan yang rumit, disebut sebagai massa dingin, yang kemudian harus dimasukkan dengan sangat hati-hati ke dalam cryostat, menggunakan mesin mirip forklift dengan tiang panjang di salah satu ujungnya untuk menahan perangkat dan beban berat di ujungnya. yang lain untuk keseimbangan.

Ini sangat pas antara massa dingin dan pelindung termal, dan Anda harus memasukkan massa dingin tanpa menggoresnya, ”kata Ethan Anliker, insinyur mesin. sayaIni adalah proses yang lambat, langkah demi langkah. Tetapi memecahkan tantangan ini menyenangkan bagi saya. Kami sedang membangun sesuatu yang unik. Ini adalah sistem yang unik.”

Untuk pengujian dingin, panas dalam cryostat diekstraksi oleh enam mesin yang disebut cryocooler. Setelah sistem mencapai suhu yang cukup rendah (sekitar 5 Kelvin, atau –450 derajat Fahrenheit), helium cair ditransfer ke dalam sistem. Tangki helium cair dan magnet dipertahankan pada 4.2 Kelvin (tentang –452 derajat Fahrenheit) tanpa mendidihkan helium cair.

Insinyur kriogenik Quentin Hasse dan Yuko Shiroyanagi mengerjakan sistem ini, merancangnya untuk menjaga berbagai bagian SCU pada suhu yang dibutuhkan.

Saya sangat senang dengan tes dingin ini,” kata Shiroyanagi. sayaMereka bahkan lebih baik dari yang saya harapkan.”

Setelah tes, tim membongkar SCU, dan mereka sedang dalam proses membangunnya kembali dengan komponen akhir. Setelah dipasang kembali, mereka akan menganggap ini yang pertama dari unit produksi, dan memulai yang kedua.

Kami senang dengan seberapa baik segala sesuatunya berjalan dan berapa banyak yang kami pelajari, dan kami memiliki banyak kepercayaan diri untuk maju, ”kata Kasa.

Sistem Pemanjangan Tandan

Sistem pemanjangan tandan yang dibuat untuk Peningkatan APS. Sistem ini, yang menggunakan teknologi superkonduktor, akan memperpanjang masa pakai berkas elektron yang beredar di sekitar APS yang ditingkatkan. (Gambar oleh Michael Kelly/Laboratorium Nasional Argonne.)

Sementara ada delapan SCU yang dijadwalkan untuk dipasang di upgrade APS, perangkat superkonduktor lain yang dibuat untuk pemutakhiran akan menjadi salah satu dari jenisnya. Ini disebut Sistem Pemanjangan Tandan (BLS), ia menggunakan rongga frekuensi radio superkonduktor, dan tugasnya adalah memperpanjang umur berkas elektron yang beredar di sekitar APS.

Elektron-elektron itu bergerak hampir dengan kecepatan cahaya, dan tugas cincin penyimpan adalah menjaganya tetap bergerak pada kecepatan itu selama mungkin. Seiring waktu, sinar itu kehilangan elektron sebagai akibat dari hamburan, dan setelah beberapa saat, ia tidak lagi memiliki cukup elektron untuk menghasilkan sinar-X ultra-terang yang diperlukan untuk penelitian. Kehidupan berkas elektron saat ini dalam APS adalah tentang 12 jam, tetapi ditingkatkan APS akan memiliki sinar yang jauh lebih padat, yang berarti akan lebih rentan terhadap hamburan. yang ditingkatkan APS balok akan memiliki kehidupan sekitar satu atau dua jam tanpa sistem baru ini.

Di situlah BLS masuk. Ini akan menghasilkan medan listrik yang cukup tinggi untuk meregangkan tandan elektron saat mereka bersirkulasi di dalam cincin, sehingga memperpanjang masa pakai berkas dua hingga empat kali lipat. Ini akan membatasi gangguan pada penelitian, manfaat praktis yang luar biasa bagi semua orang yang menggunakan APS.

Namun, untuk melakukan ini, rongga superkonduktor yang menciptakan medan listrik harus berada pada 2.1 Kelvin (sekitar –456 derajat Fahrenheit). Ini akan membutuhkan setidaknya 100 galon helium cair, dipompa oleh unit pendingin helium besar. Tes baru-baru ini mendinginkan seluruh rongga superkonduktor untuk pertama kalinya, dan menurut pemimpin kelompok divisi Fisika Michael Kelly, itu dilakukan dengan mengagumkan.

Rongga melebihi tujuan desain, ”kata Kelly, mencatat bahwa kekuatan medan listrik ternyata tiga kali lebih tinggi dari tujuan desain. sayaDengan margin kinerja ini, kami berharap untuk mendapatkan kinerja yang sangat baik dan andal dari rongga ini.”

Kelly dan rekan-rekannya berencana untuk menyelesaikan perakitan BLS di Januari 2022, mengintegrasikan rongga superkonduktor ke perangkat yang lebih besar. Seperti SCU, BLS akan dipasang ke upgrade APS selama periode konstruksi peningkatan selama setahun, saat ini dijadwalkan akan dimulai pada bulan April 2023.

Kami sangat senang,” kata Kelly. sayaKami tahu inti dari sistem ini bekerja.”

Sumber: ANL



Pos terkait

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *