高度な光源アップグレードの建設開始が承認

エネルギー省ローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所）の科学ユーザー施設である高度光源（ALS）は、X線ビームの輝度を少なくとも1倍に高める改修工事の開始について連邦政府の承認を得た。百倍。

バークレー研究所所長のマイケル・ウィザレル氏は、「ALSのアップグレードは、私たちにさらに強力な科学ツールを提供する驚くべき工学的事業である」と述べた。 「研究者が世界を改善し、今日社会が直面している最大の課題のいくつかに取り組むためにそれをさまざまな方法で活用するのを見るのが待ちきれません。」

科学者はアップグレードされた ALS を生物学にわたる研究に使用します。 化学; 物理; 材料、エネルギー、環境科学。 より明るく、よりレーザーに似た光は、専門家が反応やプロセスが発生する際に非常に小さなスケールで何が起こっているのかをよりよく理解するのに役立ちます。 これらの洞察は、バッテリーやクリーン エネルギー技術の改善、センサーやコンピューティング用の新しい材料の作成、より良い医薬品を開発するための生物学的物質の調査など、膨大な応用範囲に応用できます。

「それが ALS の素晴らしいところです。応用範囲が非常に広く、影響が非常に大きいのです」と ALS アップグレードのプロジェクト ディレクターであるデイブ ロビンは述べました。 「私が毎日本当に興奮しているのは、ALS のアップグレードが完了すると、研究者は今後 30 ～ 40 年間、さまざまな分野で科学の進歩を遂げることができるようになるということです。」

Critical Decision 3 (CD-3) として知られる DOE の承認により、ALS のアップグレードの購入、構築、設置のための資金が正式にリリースされます。 これには、まったく新しいストレージリングとアキュムレータリングの建設、4つの機能（2つの新しいものと2つのアップグレードされたもの）のビームラインの構築、機器を収容するコンクリート構造物の耐震性とシールドのアップグレードの設置が含まれます。 この5億9,000万ドルのプロジェクトは、ALSが1993年に建設されて以来、バークレー研究所にとって最大の投資である。

「私たちのチームは、磁石、真空システムのコンポーネント、RF [高周波] 空洞、電源、その他のカスタム設計のすべてを設計するのに何年も費やしてきました」と、バークレー研究所のアップグレードプロジェクトマネージャーのロビー・レフトウィッチ・ヴァン氏は述べています。 「紙から離れて、物を設置して現実にする世界に入るのはとても楽しいです。」

ALS は、周囲 600 フィートの蓄積リングを通して電子を循環させることによって X 線を生成します。 電子がこの一連の磁石を通過する際、ビームラインに沿って研究者が実験を行うステーションに光を放射します。 光にはさまざまな波長がありますが、ALS は材料の電子的、磁気的、化学的特性を明らかにする「軟」X 線を専門としています。

アップグレードされた ALS では、より高度な磁石を備えた新しいストレージ リングが使用され、電子をより適切に誘導して集束させることができ、その結果、より明るく、よりタイトな光ビームが生成されます。 これにより、X 線ビームが約 100 ミクロン（1 ミリメートルの 1,000 分の 1）からわずか数ミクロンの幅に絞られるため、研究者はさらに高い解像度で、より短い時間スケールでサンプルを画像化できるようになります。 それは、薄暗い場所での携帯電話のカメラから、明るい日中の最高級の高速カメラに切り替えるようなものです。

現在のバークレー研究所の高度な光源のビーム プロファイル (左) と、アップグレード後に利用可能になる高度に集束されたビーム (右) との比較。 (クレジット: バークレー研究所)

「このアップグレードにより、サンプルが 3D でどのように変化するかを定期的に研究できるようになりますが、これは現在非常に困難なことです」と、バークレー研究所の物理学者であり、ALS の暫定部門責任者であるアンドレアス・ショール氏は述べています。 「私たちの目標の 1 つは、エネルギー貯蔵やコンピューティングなどの分野における次世代技術に不可欠となる材料を見つけて開発することです。」

40 本のビームラインと年間 1,600 人を超えるユーザーを擁する ALS は、さまざまな研究をサポートしています。 たとえば、研究者は微生物がどのように毒素を分解するかを調べたり、より良い太陽電池やバイオ燃料を生産するために物質がどのように相互作用するかを研究したり、マイクロエレクトロニクスに応用できる可能性のある磁性材料をテストしたりできます。 チームは、改善された光を活用するように最適化された 2 つの新しいビームラインを構築し、いくつかの既存のビームラインを再調整してアップグレードします。

すでに進行中のアップグレードの重要な要素の 1 つは、アキュムレータとして知られる 2 番目のリングです。アキュムレータは、加速器複合体によって生成された電子を受け取り、新しい蓄積リング用に準備します。 CD-3a として知られる特別な事前承認を得て、2020 年にアキュムレーターの建設が始まりました。 最初にアキュムレータをインストールしてテストすることで、チームはアップグレードを完了するまでの ALS 操作の一時停止時間を最小限に抑えることができます。

ALSは、バークレー研究所の科学者によって開発された「オンアクシス・スワップアウト・インジェクション」と呼ばれる技術を使用する。 これにより、アキュムレータとストレージリングが連携して、材料や反応のナノスケールの詳細を明らかにできる研究用に信じられないほど明るく規則正しいビームを生成できるようになります。

大きな家具をアパートの 2 階に運び入れようとしたことがあるなら、新しい ALS 収納リングの設置にどのような作業が必要かは理解できるでしょう。

「ALS-Uにとって最大の課題はスペースです」と、このプロジェクトの撤去・設置チームを率いるダニエラ・ライトナー氏は語る。 「私たちは文字通り、特定の領域に手を入れることができるかどうかを測定しているのです。」

トンネル内壁に沿って走る新しいアキュムレータリングを含め、加速器トンネル内の多くの要素は移動できません。 専門家は広範なモデリングとシミュレーションを使用して、現在のストレージリングを指定されたアクセスパスに沿って安全に取り外し、新しい磁石のラフトと交換できることを確認しました。

このアニメーションは、加速器トンネルを通過するストレージ リングのセクションを示しています。 アキュムレータリングが下部に見えます。 シミュレーションにより、アップグレードのさまざまな部分がすべて、狭いスペースに出入りできることが保証されます。 (クレジット: Christopher Bullock/バークレー研究所)

今後 3 年間で、チームは新しいストレージ リングやその他の改良に必要なすべての部品を調達して構築します。 すべての準備が整った後、ALS は設置と初期試運転のためにおよそ 1 年間の「暗黒時代」に入るでしょう。

「アクセルを止めると時計が動き出す」とライトナー氏は語った。 「物事は振り付けられたバレエのように進む必要がある。」

4 つのチームが並行して作業し、現在の ALS ストレージ リングを撤去します。 これは、磁石、ケーブル、支持桁（取り出す前にプラズマで 3 つの部分に切断する必要がある）を含む、約 500 トンの機器を移動することを意味します。 その後、500 トンの最先端の機器を運び込み、すべてのコンポーネントを慎重に接続して、改善された ALS を復活させます。 これは、世界で最も強力なコヒーレント (レーザーのような) 軟 X 線源となるでしょう。

「このアップグレードの準備は研究室全体の取り組みであり、科学界に大きな影響を与えることになるでしょう」とウィザレル氏は語った。 「ALS-Uチーム全員の献身と努力に敬意を表します。」

既存の高度な光源ストレージ リングの仮想ツアーに参加してください。 マウスを使用して ALS のトンネルを移動します。 全画面バージョンを表示します。 (クレジット: Matterport、バークレー研究所)

Advanced Light Source は DOE Science Office のユーザー施設です。

ALS-U についてさらに詳しく:

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最大の科学的課題にはチームで対処するのが最善であるという信念に基づいて 1931 年に設立されたローレンス バークレー国立研究所とその科学者は、16 回のノーベル賞を受賞しています。 現在、バークレー研究所の研究者は、持続可能なエネルギーと環境ソリューションを開発し、有用な新材料を作成し、コンピューティングの最前線を前進させ、生命、物質、宇宙の謎を探求しています。 世界中の科学者が、独自の科学発見のためにこの研究所の施設を利用しています。 バークレー研究所は、カリフォルニア大学が米国エネルギー省科学局のために管理するマルチプログラムの国立研究所です。

DOE 科学局は、米国における物理科学の基礎研究の最大の支援者であり、現代の最も差し迫った課題のいくつかに対処するために取り組んでいます。 詳細については、energy.gov/science をご覧ください。