Запуск источника синхротронного излучения — это результат совместных усилий огромной команды, объединяющей сотни высококвалифицированных и специализированных профессионалов. Группа радиочастотных (RF) специалистов в Национальном источнике синхротронного излучения II (NSLS-II), объекте Министерства энергетики США (DOE), расположенном в Брукхейвенской национальной лаборатории, играет важную роль в работе синхротрона. Их работа, часто незаметная, обеспечивает яркость, мощность и стабильность электронного пучка, что необходимо для передовых научных исследований в NSLS-II.
Электроны, циркулирующие в накопительном кольце NSLS-II длиной почти в полмили, теряют энергию, производя рентгеновские лучи, которые учёные используют для проведения различных экспериментов. Чтобы поддерживать стабильное движение пучка, электроны проходят через полые RF-полости. Эти полости, настроенные на точную частоту, восстанавливают энергию электронов каждый раз, когда они проходят через них.
При охлаждении до криогенных температур материал, из которого изготовлены полости, — ниобий — приобретает сверхпроводящие свойства, которые практически устраняют электрическое сопротивление и значительно повышают энергоэффективность и стабильность пучка. Конструкция также позволяет безопасно гасить нежелательные высокочастотные колебания, обеспечивая стабильный рентгеновский луч высокой интенсивности.
Пока NSLS-II работает уже почти десять лет, сотрудники рассматривают возможности улучшений и дополнений, которые подготовят объект к будущему и поддержат стареющую инфраструктуру. В этом году перед RF-группой стояла задача обеспечить надёжность работы на годы вперёд.
Клистроны: прошлое и будущее
Клистроны — это вакуумные трубки, которые учёные и инженеры используют для усиления высоких радиочастот. Они были первым надёжным и практичным источником микроволн. Клистроны были разработаны в 1930-х годах братьями Вариан, основателями одного из первых технологических предприятий в Стэнфордском промышленном парке, месте рождения современной Кремниевой долины. Эти универсальные устройства можно найти в телевизионных передатчиках, радиолокационных системах и даже в ускорителях частиц.
RF-системы в ускорителях обеспечивают энергетический прирост для электронов, сначала для разгона до 3 гигаэлектронвольт, а затем для восполнения энергии, которую электроны теряют на рентгеновских лучах, используемых в пучковых линиях.
NSLS-II уже почти десять лет работает с клистронами, которые питают сверхпроводящие полости, обеспечивающие энергию для электронного пучка. Однако эти устройства начинают устаревать. Это особенно стало заметно во время производственных трудностей, связанных с пандемией, когда клистроны стало трудно найти, и у NSLS-II не оказалось запасных клистронов.
«Поскольку компании, производящие клистроны, начинают терять долю рынка, они прекращают производство», — сказал Джеймс Роуз, заместитель директора отдела ускорителей NSLS-II и руководитель RF-группы. «Опираясь на устаревшие технологии, мы сильно рискуем, и чтобы снизить этот риск, RF-группе необходимо было разработать более современное и надёжное решение».
Их изобретательность привела к использованию твердотельного передатчика, который объединяет сотни усилителей, каждый из которых состоит из одного транзистора с выходной мощностью до 1000 Вт. Эта новая транзисторная технология позволяет RF-транзисторам выдавать более 1000 Вт из одного устройства. Комбинация может воспроизвести 300-киловаттную выходную мощность клистронных усилителей, пока они ещё не вымерли. Этот новый источник питания призван поддерживать яркость источника света на долгие годы.
Сверхпроводящие RF-полости в накопительном кольце NSLS-II требуют для оптимальной работы экстремально низких температур. Благодаря использованию жидкого гелия полости поддерживают температуру -452 градуса по Фаренгейту, что всего на три градуса выше средней температуры, наблюдаемой в космосе. С момента запуска работы десять лет назад NSLS-II может полагаться на один гелиевый холодильник и сжижитель, также известный как «холодный бокс», для охлаждения этих полостей. Однако по мере развития и роста объекта этого может быть недостаточно.
«Без другой системы мы рискуем получить единственную точку отказа», — сказал Роуз. «Если мы потеряем единственный имеющийся у нас гелиевый холодильник, это может привести к тому, что объект будет простаивать несколько месяцев».
Добавление второй системы обеспечивает более чем одну профилактическую меру. Поскольку полости необходимо поддерживать в холодном состоянии во время работы, холодный бокс можно было отключать лишь ненадолго, что затрудняло техническое обслуживание. Добавление второго холодного бокса позволяет вывести одну систему из эксплуатации для ремонта. Это также позволяет техникам проводить регулярное техническое обслуживание.
Установка нового холодного бокса была не так проста, как закупка и установка второго устройства. Помимо приобретения подходящего гелиевого холодильника и сосуда Дьюара с жидким гелием, команде необходимо было разработать и установить криогенную систему трубопроводов, которая позволила бы обоим устройствам работать отдельно или вместе. Большая часть этой программы заключалась в разработке специализированного программного обеспечения для программируемого логического управления, которое контролировало бы процесс. В программном обеспечении более 80 отдельных контуров управления процессом, каждый с пропорциональными и интегральными функциями.
Группа RF в NSLS-II продолжает усердно работать над поддержанием текущих систем, исследуя возможности модернизации для будущих инициатив и устраняя аномалии, которые случаются время от времени. Эти модернизации не только укрепляют повседневную работу, но и готовят объект к будущим научным требованиям, поскольку исследования продолжают расширять границы возможного.
niobium, takes on superconducting properties that nearly eliminate electrical resistance and drastically improve energy efficiency and beam stability. The design also allows unwanted high-frequency oscillations to be safely damped, ensuring a stable, high-intensity X-ray beam.»,»As NSLS-II surpasses a decade of operations, staff members are looking toward improvements and additions that will prepare the facility for the future and support aging infrastructure—from expanding current capabilities to imagining entirely new systems. This year, the RF team was challenged to do both, ensuring reliability for years to come.»,»Klystrons are vacuum tubes that scientists and engineers use to amplify high radio frequencies, and they were the first reliable and practical source of microwaves. They were developed in the 1930s by the Varian brothers, founders of one of the first tech businesses to set up shop in the Stanford Industrial Park, the birthplace of today’s Silicon Valley. These versatile devices can be found in television transmitters, radar systems, and even particle accelerators. The RF systems in accelerators provide energy gain to the electrons, initially to accelerate to 3 gigaelectron volts and then to replace the energy the electrons lose to the X-rays used by the beamlines.»,»NSLS-II has been running for nearly 10 years with klystrons powering the superconducting cavities that provide that energy to the electron beam. These amazing pieces of technology have had a long, productive run, but the creep towards obsolescence has already begun. This was accented by how difficult they were to find during the manufacturing challenges of the pandemic, bringing NSLS-II to a point of having no spare klystrons on hand.»,»\»As companies that produce klystrons start to lose market share, they stop production,\» said James Rose, deputy director for NSLS-II’s Accelerator Division and leader of the RF group. \»Relying on obsolete technology poses a great risk, and to mitigate that, the RF team needed to embark on innovating a more modern and reliable solution.\»»,»Their ingenuity led to the use of a solid-state transmitter that combines hundreds of amplifiers together, each consisting of a single transistor with up to 1,000 watts of output. This new transistor technology allows RF transistors to output more than 1,000 watts from a single device. The combination can replicate the 300-kilowatt output of klystron amplifiers as they currently face extinction. This new power source aims to keep the light source bright for years to come.»,»The superconducting RF cavities in NSLS-II’s storage ring require extremely cold temperatures to function optimally. Through the use of liquid helium, the cavities maintain a temperature of -452 degrees Fahrenheit, which is just three degrees above the average temperature found in outer space. Since starting operations a decade ago, NSLS-II has been able to rely on a single helium refrigerator and liquefier, also known as a \»coldbox,\» to cool these cavities. As the facility matures and grows, however, this may not be enough.»,»\»Without another system, we start to run the risk of having a single point of failure,\» Rose said. \»If we lose the only helium refrigerator we have, it could cost the facility months of downtime.\»»,»Adding a second system provides more than one preventative measure. Since the cavities need to be kept cold during operations, the coldbox could only be shut down briefly, making maintenance difficult. The addition of the second coldbox allows one system to be taken offline for repairs. It also enables technicians to perform maintenance on a regular schedule.»,»Adding the new coldbox wasn’t as simple as procuring and installing a second unit, though. In addition to purchasing the proper helium refrigerator and liquid helium dewar, the team needed to design and install a cryogenic piping system that would enable both units to operate separately or together. A large part of this program was to develop a specialized programmable logic controls software that would control the process. The software has over 80 separate process control loops, each with proportional and integral functions.»,»The RF group at NSLS-II continues to work hard at maintaining current systems, investigating upgrades for future initiatives, and addressing anomalies that happen from time to time. These upgrades not only strengthen day-to-day operations but also prepare the facility for future scientific demands as research continues to push the boundaries of what’s possible.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tBrookhaven National Laboratory\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник