Nagsimula ang China Spallation Neutron Source sa 200 kW na operasyon habang umuusad ang pagpapalawak tungo sa 500 kW

Dumoble ang kapasidad ng pasilidad mula sa orihinal na disenyo

Nagsimula nang maglingkod sa mga mananaliksik sa lakas ng sinag na 200 kilowatt ang China Spallation Neutron Source sa Dongguan, lalawigan ng Guangdong, doble ng antas na itinakda sa orihinal na disenyo nito. Inanunsyo noong Oktubre 24 ng Institute of High Energy Physics ng Chinese Academy of Sciences na naabot ng pasilidad ang milestone noong Oktubre 20, matapos ang halos isang buwang pag-aayos sa accelerator.

Agad nitong pinalawak ang kakayahan ng pasilidad na may 11 neutron instrumentong bukas sa mga gumagamit. Sinusubok din nito ang mga kagamitan at pamamaraan ng operasyon na kailangan sa ikalawang yugto ng konstruksyon, na tinatawag na CSNS-II at naglalayong itaas ang lakas ng sinag sa 500 kW.

Ayon sa institute, nabawasan ng mga espesyalista sa accelerator ang pagkawala ng sinag habang itinataas ang lakas nito. Mahalaga ang pagpapanatili sa mga partikulo sa nilalayong landas dahil maaaring maghatid ng enerhiya ang mga partikulong lumilihis mula sa sinag sa mga kagamitang nakapaligid dito at magpalubha sa maaasahang operasyon.

Hindi lamang sa accelerator nakatuon ang pinakabagong gawain. Ikinabit at sinubukan noong Setyembre 25 ang isang bagong target na tinawag na T8, na may sistemang pampalamig na idinisenyo para sa operasyon sa 200 kW. Inasikaso rin ng mga maintenance team ang mga instrumentong ginagamit ng mga mananaliksik sa pagsusuri ng mga materyal.

Para sa mga siyentipikong nag-aaral ng mga baterya, haluang metal, biyolohikal na materyal at iba pang sample, nakasalalay ang praktikal na pakinabang sa mga neutron na umaabot sa kanilang mga eksperimento. Mas mabilis makakalap ng kapaki-pakinabang na sukat ang mas malakas na pinagmumulan at masusuportahan nito ang mga pagsisiyasat na nangangailangan ng mas maliliit na sample o mas pinong detalye. Dalawang ulit na ngayon ang lakas ng pasilidad kumpara sa orihinal nito, ngunit kailangan pa ng karagdagang konstruksyon sa accelerator upang maabot ang buong target ng ikalawang yugto.

Paano nagiging kasangkapan sa pananaliksik ang sinag ng proton

Gumagawa ang CSNS ng mga neutron sa pamamagitan ng pagpapabilis ng mga proton at pagtama sa mga ito sa isang target. Naglalabas ng mga neutron ang mga banggaan sa prosesong tinatawag na spallation. Ginagabayan ng mga instrumento ang mga neutron patungo sa mga sample at sinusukat kung paano sumasabog o nagkakahiwa-hiwalay ang mga ito matapos tumama.

Sinusuri ng mga siyentipiko ang mga pagbabago sa direksiyon, enerhiya at momentum ng mga neutron na nagkalat upang matukoy ang pagkakaayos at galaw ng mga atom. Sa payak na paliwanag, nagsisilbing panukat ang mga partikulong ito sa mga estrukturang napakaliit para makita gamit ang karaniwang mikroskopyo.

Inilalarawan ng lakas ng sinag ang enerhiyang inihahatid ng sinag ng proton bawat segundo. Kapag itinaas ito, mas maraming neutron ang nagagawa ng pinagmumulan kaya mas maraming impormasyon ang makakalap ng mga mananaliksik. Nakadepende rin ang pakinabang sa isang partikular na eksperimento sa instrumento, sample at paraan ng pagsukat na ginagamit dito.

Ano ang mapapala ng mga mananaliksik

Inilarawan ni Wang Sheng, deputy director ng Institute of High Energy Physics at pangkalahatang direktor ng proyektong pagpapalawak, ang inaasahang pakinabang sa agham nang magsimula ang konstruksyon ng ikalawang yugto noong Marso 2024.

"Pagkatapos makumpleto ang ikalawang yugto, makakagawa ang pinagmumulan ng mas maraming neutron nang sabay-sabay. Nangangahulugan ito na maaaring paikliin ang oras ng mga eksperimento at mapahusay ang resolusyon ng mga ito, kaya masusukat ang mas maliliit na sample at mapag-aaralan ang mas mabilis na mga prosesong dinamiko," sabi ni Wang.

Kapag mas maikli ang mga pagsukat, mas maraming proyekto ang makakagamit ng instrumento. Dahil sa mas mahusay na resolusyon, natutukoy ng mga mananaliksik ang mga detalyeng kung hindi ay magsasama-sama lamang sa paningin; samantala, nakatutulong ang mas mabilis na pagsukat sa pagsubaybay sa mga pagbabagong nagaganap sa loob ng isang materyal.

Sinusuportahan na ng pasilidad ang pananaliksik sa mga bateryang lithium-ion, solar cell, piyesa para sa aerospace, magnetic material, superconductor, manipis na pelikula at matitibay na haluang metal. Tinukoy ni Zhang Junrong, na nangangasiwa sa mga eksperimento at aplikasyon ng mga gumagamit sa CSNS, ang mga larangang ito nang ilarawan niya ang gawain ng pasilidad sa paglulunsad ng ikalawang yugto.

Iniuugnay ng mga paksang ito ang accelerator sa mga praktikal na suliranin. Maaaring suriin sa mga pag-aaral ng baterya ang mga pagbabago sa materyal habang ginagamit ito, samantalang makatutulong ang pagsisiyasat sa mga haluang metal at piyesa para sa aerospace upang maunawaan ng mga mananaliksik kung paano nakaaapekto sa kakayahan ng mga ito ang panloob na estruktura. Layunin din ng pagpapalawak na palawakin ang pananaliksik sa mga agham pangbuhay, pagbuo ng gamot at disenyo ng katalista.

Nagbibigay-daan sa konstruksyon ang pagsasara tuwing tag-init

Ginagamit ng pangkat ng CSNS-II ang taunang pagsasara tuwing tag-init upang magkabit ng mga kagamitan habang nililimitahan ang abala sa nakatakdang pananaliksik. Dahil dito, mahigpit ang iskedyul: kailangang isingit ang konstruksyon, pagsusuri ng kagamitan at pag-aayos ng accelerator sa operasyon ng kasalukuyang pasilidad na pang-agham.

Sa pinakahuling pagsasara, nagkabit at sumubok ang mga manggagawa ng kagamitan sa unahan ng linear accelerator, lahat ng solid-state modulator at ikatlong lukab na gawa sa magnetic alloy sa rapid cycling synchrotron. Nagbibigay ang mga modulator ng kontroladong pulso ng kuryente, habang tumutulong ang lukab na maghatid ng enerhiyang kailangan upang pabilisin ang sinag.

Nagpapadala ang linear accelerator ng mga partikulo sa tuwid na landas bago pumasok ang mga ito sa synchrotron, kung saan umiikot ang mga ito at lalo pang lumalakas ang enerhiya. Kailangang magkasamang gumana ang mga kagamitan sa dalawang bahaging ito upang makarating ang sinag sa target sa kondisyong kinakailangan.

Ayon sa institute, nakakabit na ang lahat ng kagamitang pang-accelerator na nakaplano para sa CSNS-II, maliban sa bahaging superconducting. Kabilang ang bahaging iyon sa mga kailangang gawin upang itaas sa 300 milyong electronvolt, o 300 MeV, ang enerhiya ng sinag sa linear accelerator.

Pagkontrol sa mas siksik na sinag

Lalong naging mahirap ayusin ang accelerator nang tumaas ang lakas nito. Nag-ugnayan ang mga pagbabago sa mga setting ng kagamitan, mga puwersa sa loob ng sinag at kapaligiran nito, kaya nagkaroon ng mga kondisyong maaaring magdulot ng kawalang-katatagan sa mga kumpol ng partikulo.

Isa sa mga hamon ang space charge, o ang elektrikal na pagtutulakan ng mga partikulong may magkakaparehong karga. Kabilang sa isa pa ang ugnayan ng sinag at mga estruktura ng accelerator, na inilalarawan bilang mga epekto ng beam impedance. Kapwa maaaring makaistorbo sa sinag ang mga epektong ito at magpataas sa bilang ng mga partikulong nawawala sa dinaraanan nito.

Inayos ng pangkat ng accelerator ang mahahalagang bahagi ng pinalawak na linear accelerator, kabilang ang radio frequency quadrupole, o RFQ, at ang medium energy beam transport section, o MEBT. Inihahanda, pinabibilis at ginagabayan ng mga bahaging ito ang sinag bago ito tumuloy sa susunod na yugto.

Ayon sa institute, nalutas ng malalaking pagbabago sa paraan ng operasyon ang sama-samang kawalang-katatagan ng sinag. Sinabi rin nito na lumampas sa pinakamataas na antas na iniulat sa mga maihahambing na accelerator sa buong mundo ang index ng densidad ng sinag. Hindi nagbigay ang anunsyo ng numerikal na halaga para sa index na ito o ng eksaktong ibinaba ng pagkawala ng sinag.

Nagbibigay ng mahalagang resulta ang iniulat na pagbawas sa pagkawala ng partikulo, bukod sa pagkamit ng itinakdang lakas: naipakita ng pangkat kung paano patakbuhin ang mas masalimuot na sinag habang mas maraming partikulo ang nananatiling kontrolado.

Bagong target at mga instrumentong naasikaso

Nasa T8 target ang mismong lugar kung saan tumatama ang pinabilis na mga proton upang maglabas ng mga neutron. Dinisenyo ang sistema nitong pampalamig para sa operasyon sa 200 kW, at sinusubaybayan ng bagong pagmamanman sa temperatura ang mga kondisyon sa mga plato ng target.

Lalong nagiging mahirap pamahalaan ang init habang tumataas ang lakas ng sinag. Gagamitin sa disenyo ng mas malakas na target na kailangan para sa CSNS-II ang mga sukat mula sa T8, upang magkaroon ng karanasan sa operasyon ang mga inhinyero bago umusad ang pasilidad tungo sa 500 kW.

Sumailalim din sa maintenance tuwing tag-init ang 11 instrumentong bukas sa mga gumagamit. Kabilang sa mga inayos ang mga silid para sa scattering, chopper, detector at kapaligiran ng sample; nakaaapekto ang lahat ng ito sa pagsasagawa at pagsukat ng isang eksperimento.

Kino-kontrol ng mga chopper kung aling mga bahagi ng pulso ng neutron ang makadaraan sa instrumento. Itinatala ng mga detector ang mga neutron na nagkalat, habang nagbibigay-daan ang mga sistema para sa kapaligiran ng sample na pag-aralan ng mga siyentipiko ang mga materyal sa mga piniling kondisyon, gaya ng magkakaibang temperatura. Inihahanda ng pag-aasikaso sa mga sistemang ito ang bahaging pang-eksperimento ng pasilidad upang magamit ang mas malakas na pinagmumulan.

Paano palalawakin ng planong 500 kW ang kapasidad

Inilahad ng Institute of High Energy Physics ang saklaw ng CSNS-II sa anunsyo ng paglulunsad ng proyekto. Idinaos sa Dongguan ang pulong para sa paglulunsad noong Marso 30, 2024, at itinakda ang konstruksyon nang limang taon at siyam na buwan.

Itinataas ng opisyal na plano ang lakas ng sinag mula 100 kW tungo sa 500 kW at dinaragdagan ang bilang ng neutron spectrometer mula 11 tungo sa 20. Nakasaad din dito ang dalawang karagdagang terminal para sa mga eksperimento, kabilang ang isa para sa mga eksperimento gamit ang mga proton na may mataas na enerhiya. Kabilang sa programa ng konstruksyon ang mga laboratoryo para sa mga gumagamit, gayundin ang mga bagong instrumento at terminal.

Dagdag na siyam na instrumento ang pagtaas mula 11 tungo sa 20 spectrometer, o humigit-kumulang 82 porsiyentong paglaki. Limang ulit naman ng orihinal na disenyong 100 kW ang target na lakas. Sa 200 kW, gumagana ang pasilidad sa 40 porsiyento ng planong panghuling lakas, bagaman higit pa sa iisang panukat na ito ang batayan ng pag-usad ng konstruksyon.

Inilalarawan sa pinakahuling ulat na nasa halos kalagitnaan na ng konstruksyon ang proyekto. Natapos sa katapusan ng Setyembre ang mga gawaing panggusali, at ikinabit noong Oktubre 15 ang refrigerator na helium na kayang magpalamig nang humigit-kumulang 1 kW sa 2 kelvin. Katumbas ng humigit-kumulang minus 271 digri Celsius ang 2 kelvin, temperaturang ginagamit sa mga sistemang superconducting ng accelerator.

Mahahalagang petsa sa pagpapalawak

Mula sa orihinal na programa ng konstruksyon, umusad ang CSNS tungo sa pagpapalawak na kasabay ng operasyon para sa mga gumagamit. Ipinakikita ng mahahalagang petsa kung paano nababagay ang pinakahuling milestone sa mas mahabang pagsisikap na ito.

• 2011: Nagsimula ang konstruksyon ng orihinal na proyektong CSNS, na may pamumuhunang 2.3 bilyong yuan.
• Agosto 2018: Nagsimulang magserbisyo ang pasilidad.
• Marso 30, 2024: Idinaos sa Dongguan ang pulong para sa paglulunsad ng CSNS-II, na may itinakdang panahon ng konstruksyon na limang taon at siyam na buwan.
• Setyembre 25, sa panahon ng pinakahuling pagpapalawak: Ikinabit at sinubukan ang T8 target.
• Katapusan ng Setyembre: Natapos ang mga gawaing panggusali para sa ikalawang yugto.
• Oktubre 15: Ikinabit ang refrigerator na helium para sa operasyon sa 2 kelvin.
• Oktubre 20: Naabot ng pasilidad ang milestone na 200 kW matapos ang halos isang buwang pag-aayos sa sinag.
• Oktubre 24: Inanunsyo ng Institute of High Energy Physics ang operasyon para sa mga gumagamit sa mas mataas na lakas.

Ang susunod na hakbang sa accelerator na tinukoy ng institute ay itaas sa 300 MeV ang enerhiya ng sinag sa linear accelerator. Gagabayan ng karanasan mula sa pinakahuling pagsubok sa pagpapatakbo ang gawaing ito at ang kasunod na pagtaas ng lakas.

Higit pa sa accelerator ang pangangailangan

Nakatala sa anunsyo ng paglulunsad noong 2024 ng institute ang mahigit 6,000 rehistradong gumagamit at mahigit 1,500 natapos na proyektong pang-eksperimento mula nang magsimulang gumana ang CSNS noong 2018. Inilalarawan ng mga bilang na ito ang kalagayan ng pasilidad noong inilabas ang anunsyo.

Mahigit 100 natapos na proyekto ang kinasangkutan ng mga gumagamit mula sa Hong Kong, Macao, Taiwan at ibang bansa, ayon sa institute. Saklaw ng komunidad ng mga gumagamit ang enerhiya, pisika, materyal at inhinyeriya, kaya kailangan nila kapwa ng akses sa mga instrumento at mas malawak na pagpipilian sa mga kondisyon ng eksperimento.

Inilarawan ni Zhang Junrong, ang opisyal na namamahala sa mga eksperimento at aplikasyon ng mga gumagamit, ang pangangailangan sa pagpapalawak sa paglulunsad.

"Kailangang-kailangang palawakin ang CSNS upang matugunan ang lumalaking pangangailangan ng mga gumagamit," sabi ni Zhang.

Tinutugunan ng ikalawang yugto ang pangangailangang ito sa dalawang magkaugnay na paraan. Mapabibilis ng mas malalakas na sinag ang ilang pagsukat, habang bibigyan naman ng karagdagang instrumento ang mga mananaliksik ng mas maraming lugar at paraang mapagsasagawaan ng mga eksperimento. Para sa mga gumagamit, nakasalalay ang resulta sa pagtutulungan ng dalawang bahaging ito: mas malakas na pinagmumulan at sapat na kapasidad sa eksperimento upang makalikha ng mga resulta gamit ang mga neutron nito.

Mahahalagang Punto

• Naabot ng CSNS ang 200 kW noong Oktubre 20 at nagsimula ng operasyon para sa mga gumagamit sa lakas na doble ng orihinal na disenyo nito.
• Ayon sa institute, nabawasan ang pagkawala ng sinag habang itinataas ang lakas matapos ayusin ang mga kagamitan at baguhin ang paraan ng operasyon.
• Sinusuportahan ng bagong T8 target at maintenance sa lahat ng 11 instrumentong bukas sa mga gumagamit ang operasyon sa mas mataas na lakas.
• Layunin ng CSNS-II na umabot sa 500 kW at dagdagan mula 11 tungo sa 20 ang mga neutron spectrometer, kasabay ng pagdaragdag ng mga terminal para sa eksperimento.
• Kailangan pang ikabit ang bahaging superconducting ng accelerator; kabilang sa mga susunod na hakbang ang pagtataas sa 300 MeV ng enerhiya ng linear accelerator.
• Layunin ng pagpapalawak na masuportahan ang mas mabilis na pagsukat, mas maliliit na sample at mas malawak na hanay ng pananaliksik.