ارتقای توان پروتون منبع نوترون Spallation شراکت دیرینه آزمایشگاه جفرسون با آزمایشگاه ملی اوک ریج را تقویت می کند.
نیوپورت نیوز، ویرجینیا – یکی از تاسیسات پیشرو در علم نوترون در جهان در حال افزودن به شتاب دهنده ذرات قدرتمند خود است و این پروژه به تازگی به یک نقطه عطف مهم رسیده است: بخش نهایی این بسته با کارایی بالا که از ابتدا در وزارت ایالات متحده ساخته شده است. شتاب‌دهنده توماس جفرسون از تأسیسات هسته‌ای ملی انرژی با کامیون به آزمایشگاه ملی Oak Ridge DOE در تنسی منتقل شد.
آزمایشگاه جفرسون در یک همکاری طولانی مدت با Oak Ridge، بخش‌های شتاب‌دهنده ذرات به نام کرایومدول‌ها را تامین می‌کند. ارتقاء قدرت پروتون (PPU) از منبع نوترونی انفجاری. این هیولاهای فوق خنک برای تحقیقات علمی، ذرات را به سرعتی نزدیک به سرعت نور سوق می دهند. روز چهارشنبه، هشتمین و آخرین مسابقه 529 مایلی از ساحلی ویرجینیا به ایالت داوطلب انجام شد.
تحویل اوج است یک شراکت هفت ساله چند میلیون دلاری این آخرین ائتلاف است که به اوایل دهه 2000 باز می گردد. Oak Ridge قبلا از آزمایشگاه جفرسون و موسسه SRF کلاس جهانی خود برای طراحی و ساخت 23 ماژول سرمای اصلی برای منبع نوترون Spallation (SNS) استفاده می کرد، که یک مرکز کاربر دفتر علوم DOE و قوی ترین علم نوترون در جهان مبتنی بر شتاب دهنده است. امکانات.
استوارت هندرسون، مدیر آزمایشگاه، گفت: “آزمایشگاه جفرسون مفتخر است که با تیم SNS در این پروژه بسیار مهم همکاری می کند که به ایجاد استاندارد جدیدی برای تاسیسات پراکندگی نوترون در سراسر جهان کمک می کند.” “کار تیمی و مشارکت قوی برای تحویل موفقیت آمیز این هشت کریو ماژول و ادغام آنها در عملیات SNS نقش اساسی داشت.”
هندرسون پیوندهای عمیقی با SNS دارد. یکی از طولانی‌ترین توقف‌های زندگی حرفه‌ای او در اوک ریج بود، جایی که او نقشی کلیدی در ساخت و در نهایت راه‌اندازی منبع نوترونی پالس داشت.
هندرسون گفت: “من 10 سال از حرفه ام را در SNS گذراندم.” این واقعا خوشحال کننده است که می بینیم PPU گرد هم می آیند و این فرصت را داریم که دوباره بخشی از آن باشم، اکنون از دیدگاه آزمایشگاه جفرسون.
همکاران آزمایشگاه جفرسون در ارتقاء قدرت پروتون منبع نوترون Spallation با CM-08، آخرین ماژول سرمایی تولید شده برای پروژه، عکس می گیرند. (عکس از آزمایشگاه جفرسون/آیلین دولین)
“مشتری تکراری”
منبع نوترونی پوسته پوسته شدن پروتون ها را به یک ظرف فولادی پر از جیوه مایع می زند تا پرتوهای نوترونی تولید کند که برای مطالعه مواد جدید استفاده می شود. این آزمایش‌ها منجر به پیشرفت‌هایی می‌شود که می‌تواند محصولات روزمره مانند تلفن‌های همراه، موتور خودرو، باتری‌ها، داروها و کابل‌های پل را بهبود بخشد.
ارتقاء قدرت پروتون قدرت شتاب دهنده خطی خود را از 1.4 به 2.8 مگاوات دوبرابر خواهد کرد و نسل بعدی تحقیقات علم نوترون را ممکن می سازد. این امر با قرار دادن هفت انجماد پرانرژی ساخته شده توسط آزمایشگاه جفرسون در انتهای شتاب‌دهنده و یک هشتم به عنوان یدکی به دست می‌آید.
آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی DOE در نزدیکی شیکاگو، یکی دیگر از شرکای این پروژه است. Fermilab چهار آهنربای خمشی جدید ایجاد کرده استوزن هر کدام 14000 پوند برای کمک به هدایت پرتو پروتون تقویت شده.
در یک فرآیند انتخاب رقابتی برای پروژه PPU، درس‌های آموخته شده از ساخت اولین ماژول‌های سرمایشی SNS به آزمایشگاه جفرسون برتری بخشید. حفظ هسته اصلی کارمندانی که برای ساخت اولیه SNS حضور داشتند نیز راه طولانی را طی کرده است.
در میان آن گروه، اد دالی بود، که پیش از انتقال به بخش خصوصی در ژانویه گذشته، یک رهبر ارشد تیم در آزمایشگاه جفرسون برای PPU بود. او طراح اصلی در طول دوره بود ساختار اولیه SNS آزمایشگاه جفرسون.
دالی گفت: «زیبایی وجود پروژه‌ها در آزمایشگاه‌هایی است که در آن افراد یاد می‌گیرند و رشد می‌کنند و نقش‌های جدیدی را وارد می‌کنند. “شما باید این تجربه را بپردازید و آزمایشگاه را در اجرای آن پروژه ها بهتر کنید و شریک خوبی باشید.”
تخصص پیشرو در جهان
Cryomodules ستون فقرات بسیاری از شتاب‌دهنده‌های ذرات پرقدرت امروزی را تشکیل می‌دهند که برای تحقیقات علمی استفاده می‌شوند، از جمله SNS و تأسیسات شتاب‌دهنده پرتو الکترونی پیوسته (CEBAF) در آزمایشگاه جفرسون.
با طول تقریباً 26 فوت و وزن تقریباً 11000 پوند، PPU ها هیولا هستند. پوشش بیرونی این لوله های خلاء و خنک شونده با هلیوم از فولاد ضد زنگ ساخته شده و حاوی هزاران قطعه تخصصی است. اما ماهیچه واقعی در حفره های فرکانس رادیویی ابررسانا (SRF) در هسته عروق است.
سلول‌های پیازی این حفره‌های SRF که از ورقه‌های نازک نیوبیم فوق‌خالص فشرده شده و تا دمای پایین‌تر از فضای عمیق (456- درجه فارنهایت) سرد می‌شوند، به میدان‌های الکتریکی اجازه می‌دهند تا در فرکانس‌های بالا طنین‌اندازی کنند و ذرات را فشار دهند – در مورد PPU با بار منفی. اتم های هیدروژن – تا 90٪ سرعت نور. هر کرایومدول PPU با کارایی بالا شامل چهار عدد از این حفره هاست که یک رشته را تشکیل می دهند.
پاشوپاتی داکال، دانشمند ارشد تحقیق و توسعه حفره SRF در PPU، گفت: اساساً اولین گام طراحی حفره و بقیه سیستم است. وقتی فهمیدید حفره دارید، می توانید از آنجا شروع به ساختن کنید.»
آزمایشگاه جفرسون یک رهبر جهانی در تحقیق و توسعه و ساخت حفره های SRF است، همراه با کرایومدول هایی که آنها را در خود جای داده است. این آزمایشگاه در طول طراحی و ساخت CEBAF، یک مرکز کاربری منحصر به فرد دفتر علوم DOE که از تحقیقات بیش از 1900 دانشمند در سراسر جهان در دهه 1980 پشتیبانی می کرد، شروع به اصلاح این تخصص کرد. CEBAF اولین کاربرد در مقیاس بزرگ از کرایومدول‌ها را در شتاب‌دهنده‌های خطی ارائه کرد و به عنوان یک اثبات اصل برای این فناوری عمل کرد.
نعیم هوک، مهندس ارشد آزمایشگاه جفرسون گفت: “یکی از عواملی که ما را متمایز می کند این است که ما یکی از طولانی ترین تاسیسات SRF در جهان با تجربه در تحقیق، توسعه، طراحی، ساخت و بهره برداری از حفره ها و ماژول های سرمایشی SRF هستیم.” برای Cryomodules PPU. برخی از افرادی که در حال حاضر نمایش را اجرا می کنند، مانند رئیس مجمع ما، از ابتدا در آزمایشگاه بوده اند.
این دانش نهادی و زیرساخت برای مدیریت چندین پروژه به طور همزمان، آزمایشگاه جفرسون را به منبعی برای آزمایشگاه‌های ملی و بین‌المللی تبدیل کرد که به اجزای شتاب‌دهنده ذرات نیاز دارند.
نگاه کردن به بشکه خالی کرایومدول در موسسه SRF در آزمایشگاه جفرسون. (عکس از آزمایشگاه جفرسون/آیلین دولین)
شعبده بازی
طبقه تولید موسسه SRF پر از فعالیت است.
یک جرثقیل پل عظیم در فضای بالای آزمایشگاه، ماژول‌های سرمایشی عظیم و رشته‌های حفره‌ای ظریف را روی ایستگاه‌های کاری تخصصی می‌چرخاند. هر ایستگاه متناسب با نوع کاری که در آنجا انجام می شود طراحی شده است و نوعی خط مونتاژ را تشکیل می دهد. قطعات بسته به مرحله تولید، هفته‌ها تا ماه‌ها را در هر خاموشی سپری می‌کنند تا به مرحله بعدی بروند.
اشلی میچل، هماهنگ کننده پروژه SRF آزمایشگاه جفرسون، می گوید: «این شبیه یک بازی پوسته است، اما بدون تقلب. همه چیز حرکت می کند، اما ما هرگز مسیر توپ را از دست نمی دهیم.»
در یک زمینه، مهندسان و دانشمندان به تحقیق و توسعه می پردازند. در دیگری، جوشکاران و تکنسین ها با دقت اجزای بی شماری را فیوز و مونتاژ می کنند. در تمام این مدت، سایر تکنسین های اختصاصی اتاق تمیز از یک پروتکل سختگیرانه پیروی می کنند زیرا حفره ها را به دقت صیقل داده و آزمایش می کنند تا اطمینان حاصل شود که سطوح نقره ای نیوبیم عاری از لکه ها و آلاینده ها هستند.
دالی گفت: «فناوری حفره SRF بسیار نابخشودنی است. “یک اشتباه در این فرآیند و شما واقعا می توانید کارایی حفره ها را کاهش دهید. پس هدف ما پاکیزگی، پاکیزگی، پاکیزگی است.»
هر حرکت در اتاق های تمیز به دقت طراحی شده است تا هوا را از گرد و غبار یا ذرات پاک نگه دارد. به لطف این رقص پیچیده و تکنسین های آموزش دیده پشت آن، تقریباً هر حفره PPU آزمایش شده عاری از تشعشعات میدانی بود – تشعشعات ساطع شده توسط ذرات یا ناخالصی ها بر روی سطح نیوبیم در حین کار. دو تا از این 28 حفره نشانه هایی از انتشار میدانی را نشان دادند اما هنوز در حد مشخصات بودند.
داکال گفت: “هیچ جسم خارجی در داخل وجود ندارد.” این واقعیت که ما ماژول های سرمایشی تمیز داریم به این معنی است که ما توانستیم این وظیفه را به خوبی انجام دهیم.
در حالی که پروژه PPU به پایان این خط رسیده است، موسسه SRF هنوز کارهای زیادی برای انجام دارد.
آزمایشگاه جفرسون همچنین در حال تولید دور دیگری از ماژول‌های سرمایی برای منبع نور منسجم Linac در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده DOE SLAC در نزدیکی استنفورد، کالیفرنیا است. مؤسسه SRF قبلاً با Fermilab و چندین نفر دیگر برای تولید ماژول‌های ارتقاء LCLS-II همکاری کرد که “اولین نور” خود را در سال 2023 به عنوان قوی‌ترین لیزر اشعه ایکس در جهان تولید کرد. اکنون، آزمایشگاه‌ها در ارتقاء بعدی، به نام LCLS-II “انرژی بالا” (LCLS-II-HE) گرد هم می‌آیند.
به طور همزمان، آزمایشگاه جفرسون در حال ارتقاء ماژول‌های سرمایشی برای شتاب‌دهنده CEBAF خود و کار بر روی پروژه‌هایی برای برخورددهنده یون الکترون (EIC) است. EIC که در آزمایشگاه ملی Brookhaven DOE با مشارکت آزمایشگاه جفرسون ساخته می شود، قوی ترین برخورد دهنده مستقر در ایالات متحده خواهد بود.
هاک گفت: “هیچ تاسیسات دیگری در جهان حتی به داشتن چند نوع مختلف کرایومدول در یک زمان نزدیک نیست.” چیز دیگری که ما را متمایز می‌کند این است که می‌توانیم این چیزها را در خانه، کاملاً از ابتدا بسازیم.»
هشتمین و آخرین ماژول سرمای پروژه SNS PPU قبل از تحویل آن به آزمایشگاه ملی Oak Ridge در تنسی، با موضوع فارغ التحصیلی تزئین شده است. (عکس از آزمایشگاه جفرسون/نعیم هوک)
به سمت غرب بروید
از ساخت تا کارهای نهایی، تولید هر کریو ماژول ممکن است یک سال طول بکشد و هر تحویل را به خودی خود تبدیل به یک لحظه کند.
مؤسسه SRF آزمایشگاه جفرسون دوست دارد این مناسبت‌ها را، اغلب به فاصله چند ماه، با تزئین کرایومدول‌ها با طعمی فصلی قبل از ارسال، مشخص کند. از آنجایی که این تحویل آخرین مورد برای پروژه بود، تیم با موضوع فارغ التحصیلی رفت.
برای ایمن نگه داشتن ماژول سرمای جشن در حین حمل و نقل، خدمه آن را بر روی یک قاب حمل و نقل دارای بالشتک فنری قرار می دهند که هر گونه ضربه را که هنگام حرکت کامیون به سمت غرب به سمت تنسی ایجاد می شود، خنثی می کند. دو راننده به صورت شیفتی کار می کنند تا سفر 9 ساعته و 529 مایلی را در یک روز ایمن کنند.
هاک گفت: «کل پروژه نمونه ای از کتاب درسی بود که نشان می داد چگونه می خواهید یک پروژه دولتی مشارکتی کار کند. “نمی توانم تصور کنم که چگونه می توانست بهتر از این پیش برود.”
اطلاعات بیشتر
اتحاد علمی: مشارکت های استراتژیک به تضمین موفقیت کمک می کند
ارتقاء قدرت پروتون: دو برابر قدرت برای فعال کردن علم نوترون منحصر به فرد
Fermilab مجموعه ای منحصر به فرد از آهنربا را برای ارتقاء شتاب دهنده در Oak Ridge تکمیل می کند
به SRF در آزمایشگاه جفرسون خوش آمدید
منبع نوترونی در حال انفجار | علم نوترون در ORNL
SNS Cryomodules طراحی و مونتاژ شده در آزمایشگاه جفرسون
ساخت و ساز SNS
مخاطب: مت کیهیل، بخش ارتباطات آزمایشگاه جفرسون، [email protected]