Австралия ғылыми зерттеулер үшін синхротрон қондырғысы
Australian Synchrotron
Австралиялық синхротрон: 3 ГэВ энергиялы ұлттық сәулелену орталығы. Материалдарды зерттеу, бейнелеу және ғылыми талдау үшін қолданылады. ANSTO басқарады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Австралиядағы ірі масштабты синхротрон қондырғысы
Large scale synchrotron facility in Australia
Австралия синхротроны – Виктория штатының Мельбурн қаласының оңтүстік-шығыс маңындағы Клейтон қаласында орналасқан 3 ГэВ ұлттық синхротрон сәулеленуі қондырғысы. Бұл нысан 2007 жылы ашылды және Австралия ядролық ғылым және технология ұйымы (ANSTO) басқарады. ANSTO-ның Австралия синхротроны – жарық көзі (коллидерден өзгеше) – бұл бөлшектерді үдетушілерді пайдаланады, олар жарық жылдамдығына жуық жоғары энергиялы электрондар сәулесін тудырады және оларды сақтау сақинасына бағыттайды, онда олар бірнеше сағат немесе тіпті бірнеше күн бойы айналып жүреді. Электрондардың траекториясы сақтау сақинасында иілетін магниттер немесе енгізу құрылғылары арқылы бұрылғанда, олар синхротрон сәулесін шығарады. Сәуле арнайы жабдықтары бар тәжірибелік станцияларға бағытталады, бұл зерттеудің көптеген салаларын, соның ішінде қалыпты зертхана жағдайында мүмкін емес жоғары ажыратымдылықтағы бейнелеуді қамтамасыз етеді. ANSTO-ның Австралия синхротроны Австралияның ірі университеттері мен ғылыми-зерттеу орталықтарының, сондай-ақ шағын және орта кәсіпорындардан бастап көпұлтты компанияларға дейінгі бизнес қажеттіліктерін қолдайды. 2014–2015 жылдары Австралия синхротроны 4300-ден астам зерттеушінің қатысуын қамтамасыз етті және медицина, ауыл шаруашылығы, қоршаған орта, қорғаныс, көлік, озық өндіріс және тау-кен өнеркәсібі салаларында 1000-ға жуық эксперимент жүргізілді. 2015 жылы Австралия үкіметі ANSTO, Австралияның ядролық ғылым және технология ұйымы арқылы операцияларды жүргізуге он жылдық миллиондық инвестиция жасауды жариялады. Шатырдағы 1,5 МВт күн энергиясы жүйесі 5 жыл ішінде электр энергиясының 2 миллион долларлық шығынын үнемдеуге көмектеседі деп күтілуде. 2020 жылы ол COVID-19 пандемиясы кезінде COVID-19 вирусының молекулалық құрылымын карталауға көмектесті.
The Australian Synchrotron is a 3 GeV national synchrotron radiation facility located in Clayton, in the south eastern suburbs of Melbourne, Victoria. The facility opened in 2007, and is operated by the Australian Nuclear Science and Technology Organisation. ANSTO's Australian Synchrotron is a light source facility (in contrast to a collider), which uses particle accelerators to produce a beam of high energy electrons that are boosted to nearly the speed of light and directed into a storage ring where they circulate for many hours or even days at a time. As the path of these electrons are deflected in the storage ring by either bending magnets or insertion devices, they emit synchrotron light. The light is channelled to experimental endstations containing specialised equipment, enabling a range of research applications including high resolution imagery that is not possible under normal laboratory conditions. ANSTO's Australian Synchrotron supports the research needs of Australia's major universities and research centres, and businesses ranging from small to medium enterprises to multinational companies. During 2014–15 the Australian Synchrotron supported more than 4,300 researcher visits and close to 1,000 experiments in areas such as medicine, agriculture, environment, defence, transport, advanced manufacturing and mining. In 2015, the Australian Government announced a ten year, million investment in operations through ANSTO, Australia's Nuclear Science and Technology Organisation A 1.5 MW solar power system on the roof is expected to save $2 million in electricity costs over 5 years. In 2020, it was used to help map the molecular structure of the COVID 19 virus, during the ongoing COVID 19 pandemic.
Электрондық қару
Синхротрондық жарық беру үшін қолданылатын электрондар алдымен электрондық тапаншада, қыздырылған металл катодтан термиондық эмиссия арқылы жасалады. Содан кейін шығарылған электрондар 90 кВ (килоэлектрон вольт) энергияға дейін 90 киловольттық кернеу арқылы тапаншада үдетіліп, сызықтық үдеткішке өтеді.
The electrons used to provide the synchrotron light are first produced at the electron gun, by thermionic emission from a heated metal cathode. The emitted electrons are then accelerated to an energy of 90 keV (kilo electron volts) by a 90 kilovolt potential applied across the gun and make their way into the linear accelerator.
Сызықтық үдетуші
Сызықтық үдемелі құрылғы (немесе линак) 3 ГГц жиілігінде жұмыс істейтін радиожиілік қуыстардың тізбесін пайдаланады, ол электрондық сәулені шамамен 15 метрлік қашықтықта 100 МэВ энергияға дейін үдетуге қолданылады. Осы үдетудің ерекшелігіне байланысты, сәуле дискретті пакеттерге немесе "шоғырларға" бөлінуі тиіс. Шоғырландыру процесі линақтың басында бірнеше "шоғырландыру" қуыстарын қолдана отырып жүзеге асырылады. Линак сәулені секундына бір рет үдетуге қабілетті. Линақтың бойында төртполюсті магниттер электрондық сәулені фокусқа келтіруге көмектеседі.
The linear accelerator (or linac) uses a series of RF cavities, operating at a frequency of 3 GHz, to accelerate the electron beam to an energy of 100 MeV, over a distance of around 15 metres. Due to the nature of this acceleration, the beam must be separated into discrete packets, or 'bunches'. The bunching process is done at the start of the linac, using several 'bunching' cavities. The linac can accelerate a beam once every second. Further along the linac quadrupole magnets are used to help focus the electron beam.
Көтергіш синхротрон
Бустер – линакттан 100 МэВ сәулесін қабылдап, оның энергиясын 3 ГэВ-қа дейін арттыратын электрондық синхротрон. Бустер сақинасының ұзындығы 130 метрді құрайды және оның ішінде 5 ұяшықты радиожиілікті резонатор (500 МГц жиілікте жұмыс істейді) орналасқан, ол электрондық сәулеге энергия береді. Сәулені үдету магнит өрісінің күшін және резонатордың электр өрісін бірдей күшейту арқылы жүзеге асырылады. Әрбір күшейту циклы шамамен 1 секундқа созалады (толық күшейіп, төмендеуімен бірге).
The booster is an electron synchrotron which takes the 100 MeV beam from the linac and increases its energy to 3 GeV. The booster ring is 130 metres in circumference and contains a single 5 cell RF cavity (operating at 500 MHz) which provides energy to the electron beam. Acceleration of the beam is achieved by a simultaneous ramping up of the magnet strength and cavity fields. Each ramping cycle takes approximately 1 second (for a complete ramp up and down).
Сақтау сақинасы
Жинақтау сақинасы үдетілген электрондардың соңғы тоқтау орны. Оның ұзындығы 216 метр және 14 дерлік бірдей сектордан тұрады. Әрбір сектор тура бөлімшеден және доғадан құралған, ал доғалардың әрқайсысында екі дипольдік "иілу" магниттері орналасқан. Әрбір дипольдік магнит синхротрон сәулесінің мүмкін болатын көзі болып табылады, ал көптеген тура бөлімшелерде сонымен қатар кіріктіру құрылғысын орнатуға болады, бұл Австралия синхротронында 30-нан астам сәулелі құбырлар құруға мүмкіндік береді. Екі тура бөлімше сақтау сақинасының 500 МГц радиожиілікті резонаторларын орналастыру үшін қолданылады, олар синхротрон сәулелену арқылы сәуле жоғалтатын энергияны толықтыру үшін маңызды. Жинақтау сақинасында сәулені фокустау және хроматикалық түзетулер үшін қолданылатын көптеген төртполярлы және алтыполярлы магниттер де бар. Сақина 20 сағаттан астам сәуле өмірімен 200 мА сақталған ток көтеруге есептелген.
The storage ring is the final destination for the accelerated electrons. It is 216 metres in circumference and consists of 14 nearly identical sectors. Each sector consists of a straight section and an arc, with the arcs containing two dipole 'bending' magnets each. Each dipole magnet is a potential source of synchrotron light and most straight sections can also host an insertion device, giving the possibility of 30+ beamlines at the Australian Synchrotron. Two of the straight sections are used to host the storage ring 500 MHz RF cavities, which are essential for replacing the energy that the beam loses through synchrotron radiation. The storage ring also contains a large number of quadrupole and sextupole magnets used for beam focusing and chromaticity corrections. The ring is designed to hold 200 mA of stored current with a beam lifetime of over 20 hours.
Вакуумдық жүйелер
Электрондық сәуле үдету процесінің және сақтау сақинасының ішінде әрқашан өте жоғары вакуум сақталады. Бұл вакуум қажет, себебі сәуленің газ молекулаларымен кез келген соқтығысуы сәуле сапасын жылдам нашарлатады және сәуленің қызмет ету мерзімін қысқартады. Вакуумды тот баспайтын болаттан жасалған құбыр жүйесіне орналастыру арқылы қамтамасыз етеді, ал көптеген вакуумдық сорғы жүйелері вакуум сапасын жоғары деңгейде ұстау үшін үздіксіз жұмыс істейді. Сақтау сақинасындағы қысым әдетте 10−13 бар (10 нПа) шамасында болады.
The electron beam is kept within a very high vacuum at all times during the acceleration process and within the storage ring. This vacuum is necessary as any beam collisions with gas molecules will quickly degrade the beam quality and reduce the lifetime of the beam. The vacuum is achieved by enclosing the beam in a stainless steel pipe system, with numerous vacuum pump systems continually working to keep the vacuum quality high. Pressure within the storage ring is typically around 10−13 bar (10 nPa).
Басқару жүйесі
Әрбір цифрлық және аналогты I/O арнасы EPICS (Эксперименталды физика және өндірістік бақылау жүйесі) деп аталатын, жекеленген, ашық дереккөзді деректер базасы жүйесіндегі деректер базасы жазбасымен байланыстырылған. Жүйенің күйі арнайы графикалық интерфейстерді (GUI) белгіленген деректер базасы жазбаларына қосу арқылы бақыланады және басқарылады. Деректер базасында шамамен 171 000 жазба (процесс айнымалылары деп те аталады) бар, олардың көп бөлігі физикалық I/O-ға қатысты. Олардың 105 000-ға жуығы секундтың оннан бір бөлігінен минутқа дейінгі интервалдармен тұрақты түрде архивтеледі. Сәуленің физикалық параметрлерін жоғары деңгейде басқару MATLAB арқылы жүзеге асырылады, ол деректерді талдау құралдарын және үдеткіштің компьютерлік моделімен байланыс интерфейсін де ұсынады. Персонал мен жабдықты қорғау PLC негізделген жүйелерді пайдалану арқылы қамтамасыз етіледі, бұл жүйелер деректерді EPICS-ке жібереді. Beamlines де бақылау негізі ретінде EPICS-ті пайдаланады.
Each digital and analogue I/O channel is associated with a database entry in a customised distributed open source database system called EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System). The condition of the system is monitored and controlled by connecting specialised GUIs to the specified database entries. There are about 171,000 database entries (also known as process variables), many of which relate to the physical I/O. About 105,000 of these are permanently archived at intervals ranging from tenths of a seconds to minutes. Some high level control of the physics related parameters of the beam is provided through MATLAB which also provides data analysis tools and an interface with a computerised model of the accelerator. Personnel and equipment protection is achieved through the use of PLC based systems, which also transfer data to EPICS. The Beamlines also use EPICS as the basis for their control.