Sumber Neutron Spalasi China Memulakan Operasi 200 kW, Naik Taraf Diteruskan ke Arah 500 kW

Fasiliti Dongguan menggandakan kuasa reka bentuk asal

Sumber Neutron Spalasi China di Dongguan, wilayah Guangdong, mula berkhidmat kepada para penyelidik pada kuasa pancaran 200 kilowatt, dua kali ganda daripada tahap yang ditetapkan dalam reka bentuk asalnya. Institut Fizik Tenaga Tinggi Akademi Sains China mengumumkan pada 24 Oktober bahawa fasiliti itu mencapai pencapaian tersebut pada 20 Oktober selepas hampir sebulan pelarasan pemecut.

Pencapaian itu meningkatkan keupayaan dengan serta-merta di fasiliti yang mempunyai 11 instrumen neutron yang dibuka kepada pengguna. Ia juga menguji peralatan dan kaedah operasi yang diperlukan untuk fasa kedua pembinaan, dikenali sebagai CSNS-II, yang menyasarkan peningkatan kuasa pancaran kepada 500 kW.

Institut itu berkata pakar pemecut mengurangkan kehilangan pancaran sambil meningkatkan kuasa. Mengekalkan lebih banyak zarah pada laluan yang sepatutnya penting kerana zarah yang terkeluar daripada pancaran boleh memindahkan tenaga kepada peralatan di sekelilingnya dan menyukarkan operasi yang boleh dipercayai.

Kerja terkini ini melangkaui pemecut. Sasaran baharu yang dinamakan T8 dipasang dan diuji pada 25 September, dengan sistem penyejukan yang direka untuk operasi pada 200 kW. Pasukan penyelenggaraan turut menservis instrumen yang digunakan penyelidik untuk mengkaji bahan.

Bagi saintis yang mengkaji bateri, aloi, bahan biologi dan sampel lain, manfaat praktikalnya terletak pada neutron yang sampai ke eksperimen mereka. Sumber yang lebih kuat boleh mengumpulkan ukuran berguna dengan lebih pantas dan menyokong kajian yang memerlukan sampel lebih kecil atau perincian lebih halus. Fasiliti itu kini mencapai dua kali ganda kuasa asalnya, sementara pembinaan pemecut selanjutnya masih diperlukan untuk mencapai sasaran penuh fasa kedua.

Bagaimana pancaran proton menjadi alat penyelidikan

CSNS menghasilkan neutron dengan mempercepat proton dan menghalakannya ke sasaran. Perlanggaran itu membebaskan neutron melalui proses yang dipanggil spalasi. Instrumen menghalakan neutron tersebut ke arah sampel dan mengukur cara neutron berselerak.

Saintis meneliti perubahan arah, tenaga dan momentum neutron yang berselerak untuk mengetahui susunan atom dan cara atom bergerak. Secara ringkasnya, zarah-zarah itu bertindak sebagai prob untuk mengkaji struktur yang terlalu kecil untuk dilihat menggunakan mikroskop biasa.

Kuasa pancaran merujuk kepada tenaga yang dihantar oleh pancaran proton setiap saat. Peningkatannya membolehkan sumber itu menghasilkan lebih banyak neutron, sekali gus memberikan lebih banyak maklumat untuk dikumpulkan oleh penyelidik. Manfaat bagi sesuatu eksperimen turut bergantung pada instrumen, sampel dan kaedah pengukurannya.

Manfaat yang bakal diperoleh penyelidik

Wang Sheng, timbalan pengarah Institut Fizik Tenaga Tinggi dan pengarah agung projek naik taraf itu, menjelaskan manfaat saintifik yang dijangka apabila pembinaan fasa kedua bermula pada Mac 2024.

"Selepas fasa kedua siap, sumber itu boleh menghasilkan lebih banyak neutron pada masa yang sama. Ini bermakna tempoh eksperimen boleh dipendekkan dan resolusinya boleh dipertingkatkan, sekali gus membolehkan pengukuran sampel yang lebih kecil dan kajian proses dinamik yang lebih pantas," kata Wang.

Pengukuran yang lebih singkat boleh menyediakan lebih banyak masa penggunaan instrumen untuk projek lain. Resolusi yang lebih baik membolehkan penyelidik membezakan perincian yang sebaliknya akan kelihatan bercampur, manakala pengukuran yang lebih pantas membantu mereka mengikuti perubahan yang berlaku dalam sesuatu bahan.

Fasiliti itu kini menyokong penyelidikan mengenai bateri litium-ion, sel suria, komponen aeroangkasa, bahan magnet, superkonduktor, filem nipis dan aloi berkekuatan tinggi. Zhang Junrong, yang menyelia eksperimen dan aplikasi pengguna di CSNS, mengenal pasti bidang-bidang ini ketika menerangkan kegiatannya semasa pelancaran fasa kedua.

Bidang-bidang itu menghubungkan pemecut dengan masalah praktikal. Kajian bateri boleh meneliti perubahan bahan semasa digunakan, manakala penyelidikan aloi dan komponen aeroangkasa boleh membantu penyelidik memahami kaitan antara struktur dalaman dengan prestasi. Naik taraf itu juga bertujuan memperluas penyelidikan dalam sains hayat, pembangunan ubat dan reka bentuk mangkin.

Penutupan musim panas membuka ruang untuk pembinaan

Pasukan CSNS-II menggunakan penutupan tahunan pada musim panas untuk memasang peralatan sambil mengehadkan gangguan terhadap penyelidikan yang telah dijadualkan. Ini mewujudkan urutan kerja yang mencabar: pembinaan, ujian peralatan dan pelarasan pemecut perlu disesuaikan dengan operasi fasiliti saintifik sedia ada.

Dalam penutupan terbaharu, pekerja memasang dan menguji peralatan di bahagian hadapan pemecut linear, semua modulator keadaan pepejal dan rongga aloi magnet ketiga dalam sinkrotron kitaran pantas. Modulator membekalkan denyutan elektrik terkawal, manakala rongga itu membantu membekalkan tenaga yang diperlukan untuk mempercepat pancaran.

Pemecut linear menghantar zarah melalui laluan lurus sebelum zarah memasuki sinkrotron, tempat zarah beredar dan memperoleh tenaga tambahan. Peralatan di kedua-dua bahagian perlu beroperasi secara serentak supaya pancaran tiba di sasaran dalam keadaan yang diperlukan.

Menurut institut itu, semua peralatan pemecut yang dirancang untuk CSNS-II kini telah dipasang kecuali bahagian superkonduktor. Bahagian yang masih belum dipasang itu merupakan sebahagian daripada kerja yang diperlukan untuk meningkatkan tenaga pancaran pemecut linear kepada 300 juta elektronvolt, atau 300 MeV.

Mengawal pancaran yang lebih padat

Kuasa yang lebih tinggi menyukarkan pelarasan pemecut. Perubahan pada tetapan peralatan berinteraksi dengan daya dalam pancaran dan persekitarannya, lalu mewujudkan keadaan yang boleh menyebabkan kumpulan zarah menjadi tidak stabil.

Satu cabaran ialah cas ruang, iaitu tolakan elektrik antara zarah yang membawa cas yang sama. Satu lagi melibatkan interaksi antara pancaran dengan struktur pemecut, yang dihuraikan sebagai kesan impedans pancaran. Kesan-kesan ini boleh mengganggu pancaran dan meningkatkan bilangan zarah yang hilang sepanjang laluannya.

Pasukan pemecut melaraskan bahagian utama pemecut linear yang dinaik taraf, termasuk kuadrupol frekuensi radio, atau RFQ, dan bahagian pengangkutan pancaran tenaga sederhana, atau MEBT. Bahagian-bahagian ini menyediakan, mempercepat dan membimbing pancaran sebelum peringkat seterusnya.

Institut itu berkata perubahan besar pada mod operasi berjaya mengatasi ketidakstabilan pancaran kolektif. Ia turut menyatakan bahawa indeks ketumpatan pancaran melepasi paras tertinggi yang dilaporkan bagi pemecut setanding di peringkat antarabangsa. Pengumuman itu tidak memberikan nilai angka bagi indeks tersebut atau jumlah pengurangan kehilangan pancaran.

Pengurangan kehilangan yang dilaporkan memberikan hasil berguna kepada projek itu selain mencapai sasaran kuasa: pasukan tersebut telah menunjukkan cara mengendalikan pancaran yang lebih mencabar sambil memastikan lebih banyak zarahnya kekal terkawal.

Sasaran baharu dan instrumen yang diselenggara

Sasaran T8 terletak di tempat proton yang telah dipercepat melanggarnya untuk membebaskan neutron. Sistem penyejukannya direka untuk operasi pada 200 kW, manakala pemantauan suhu baharu menjejak keadaan pada plat sasaran.

Pengurusan haba menjadi lebih mencabar apabila kuasa pancaran meningkat. Pengukuran daripada T8 akan menjadi input kepada reka bentuk sasaran berkuasa lebih tinggi yang diperlukan untuk CSNS-II, sekali gus memberikan pengalaman operasi kepada jurutera sebelum fasiliti itu bergerak ke arah 500 kW.

Kesemua 11 instrumen yang dibuka kepada pengguna turut menjalani penyelenggaraan musim panas. Kerja meliputi kebuk penyerakan, pencelah, pengesan dan persekitaran sampel, yang semuanya mempengaruhi cara eksperimen dijalankan dan diukur.

Pencelah mengawal bahagian denyutan neutron yang melalui sesuatu instrumen. Pengesan merekodkan neutron yang berselerak, manakala persekitaran sampel membolehkan saintis mengkaji bahan dalam keadaan tertentu, seperti suhu yang berbeza. Penyelenggaraan sistem-sistem ini menyediakan bahagian eksperimen fasiliti itu untuk menggunakan sumber yang lebih kuat.

Bagaimana rancangan 500 kW meningkatkan kapasiti

Institut Fizik Tenaga Tinggi menjelaskan skala CSNS-II dalam pengumuman pelancaran projek. Mesyuarat pelancaran berlangsung di Dongguan pada 30 Mac 2024, dengan tempoh pembinaan yang dinyatakan selama lima tahun sembilan bulan.

Rancangan rasmi meningkatkan kuasa pancaran daripada 100 kW kepada 500 kW dan menambah bilangan spektrometer neutron daripada 11 kepada 20. Rancangan itu turut menyenaraikan dua terminal eksperimen tambahan, termasuk satu untuk eksperimen yang menggunakan proton bertenaga tinggi. Program pembinaan merangkumi makmal pengguna serta instrumen dan terminal baharu.

Peningkatan yang dirancang daripada 11 kepada 20 spektrometer menambah sembilan instrumen, iaitu pengembangan kira-kira 82 peratus. Sasaran kuasa itu lima kali ganda reka bentuk asal 100 kW. Pada 200 kW, fasiliti itu beroperasi pada 40 peratus daripada kuasa akhir yang dirancang, walaupun kemajuan pembinaan bergantung pada lebih banyak faktor daripada ukuran tunggal itu.

Kemas kini terkini menyifatkan projek itu kira-kira separuh jalan dalam pembinaan. Kerja pembinaan selesai pada penghujung September, manakala peti sejuk helium yang mampu memberikan kira-kira 1 kW penyejukan pada suhu 2 kelvin dipasang pada 15 Oktober. Suhu 2 kelvin bersamaan kira-kira tolak 271 darjah Celsius, iaitu suhu yang digunakan untuk sistem pemecut superkonduktor.

Tarikh penting naik taraf

CSNS telah beralih daripada program pembinaan asal kepada pengembangan yang dilaksanakan serentak dengan operasi untuk pengguna. Tarikh-tarikh utama menunjukkan bagaimana pencapaian terkini ini sesuai dalam usaha yang lebih panjang itu.

• 2011: Pembinaan projek asal CSNS bermula dengan pelaburan sebanyak 2.3 bilion yuan.
• Ogos 2018: Fasiliti itu mula beroperasi.
• 30 Mac 2024: Mesyuarat pelancaran CSNS-II diadakan di Dongguan, dengan tempoh pembinaan yang dinyatakan selama lima tahun sembilan bulan.
• 25 September, semasa kerja naik taraf terkini: Sasaran T8 dipasang dan diuji.
• Penghujung September: Kerja pembinaan untuk fasa kedua selesai.
• 15 Oktober: Peti sejuk helium untuk operasi pada suhu 2 kelvin dipasang.
• 20 Oktober: Fasiliti itu mencapai pencapaian 200 kW selepas hampir sebulan pelarasan pancaran.
• 24 Oktober: Institut Fizik Tenaga Tinggi mengumumkan operasi untuk pengguna pada kuasa lebih tinggi.

Langkah pemecut seterusnya yang dikenal pasti oleh institut itu ialah meningkatkan tenaga pancaran pemecut linear kepada 300 MeV. Pengalaman daripada pentauliahan terkini akan memandu kerja tersebut dan peningkatan kuasa seterusnya.

Permintaan melangkaui pemecut

Pengumuman pelancaran institut itu pada 2024 merekodkan lebih 6,000 pengguna berdaftar dan lebih 1,500 projek eksperimen yang telah diselesaikan sejak CSNS mula beroperasi pada 2018. Angka-angka tersebut menggambarkan keadaan fasiliti itu ketika pengumuman pelancaran dibuat.

Menurut institut itu, lebih 100 projek yang diselesaikan melibatkan pengguna dari Hong Kong, Macao, Taiwan dan luar negara. Komuniti pengguna merangkumi bidang tenaga, fizik, bahan dan kejuruteraan, sekali gus mewujudkan permintaan untuk akses kepada instrumen serta lebih banyak pilihan keadaan eksperimen.

Zhang Junrong, pegawai yang bertanggungjawab terhadap eksperimen dan aplikasi pengguna, menjelaskan tekanan untuk mengembangkan fasiliti itu semasa pelancaran.

"CSNS perlu dinaik taraf dengan segera untuk memenuhi permintaan pengguna yang semakin meningkat," kata Zhang.

Fasa kedua menangani permintaan itu melalui dua cara yang saling berkaitan. Pancaran yang lebih berkuasa boleh mempercepat sesetengah pengukuran, manakala instrumen tambahan menyediakan lebih banyak tempat dan kaedah untuk penyelidik menjalankan eksperimen. Bagi pengguna, hasilnya bergantung pada kedua-dua komponen yang berfungsi bersama: sumber yang lebih kuat dan kapasiti eksperimen yang mencukupi untuk menghasilkan dapatan daripada neutronnya.

Perkara Utama

• CSNS mencapai 200 kW pada 20 Oktober dan memulakan operasi untuk pengguna pada kuasa dua kali ganda reka bentuk asalnya.
• Institut itu berkata kehilangan pancaran berkurangan apabila kuasa meningkat susulan pelarasan peralatan dan perubahan pada mod operasi.
• Sasaran T8 baharu dan penyelenggaraan kesemua 11 instrumen pengguna menyokong operasi pada kuasa lebih tinggi.
• CSNS-II menyasarkan 500 kW dan peningkatan bilangan spektrometer neutron daripada 11 kepada 20, selain terminal eksperimen tambahan.
• Bahagian pemecut superkonduktor masih belum dipasang, manakala peningkatan tenaga pemecut linear kepada 300 MeV merupakan antara langkah seterusnya.
• Pengembangan itu bertujuan menyokong pengukuran yang lebih pantas, sampel yang lebih kecil dan julat penyelidikan yang lebih luas.