Введение
Австралийский синхротрон – это национальный источник синхротронного излучения мощностью 3 ГэВ, расположенный в Клейтоне, в юго-восточных пригородах Мельбурна, штат Виктория. Объект был открыт в 2007 году и управляется Австралийской организацией ядерных наук и технологий (ANSTO). Австралийский синхротрон ANSTO – это источник света (в отличие от коллайдера), который использует ускорители частиц для создания пучка высокоэнергетических электронов, разгоняемых почти до скорости света и направляемых в накопительное кольцо, где они циркулируют в течение многих часов или даже дней. При отклонении траектории этих электронов в накопительном кольце с помощью отклоняющих магнитов или вставок они излучают синхротронный свет. Этот свет направляется на экспериментальные станции, оснащенные специализированным оборудованием, что позволяет проводить широкий спектр исследований, включая получение изображений высокого разрешения, недостижимых в обычных лабораторных условиях. Австралийский синхротрон ANSTO поддерживает исследовательские потребности ведущих университетов и исследовательских центров Австралии, а также предприятий – от малых и средних до транснациональных корпораций. В период с 2014 по 2015 год Австралийский синхротрон принял более 4300 посещений исследователей и провел около 1000 экспериментов в таких областях, как медицина, сельское хозяйство, охрана окружающей среды, оборона, транспорт, передовое производство и горнодобывающая промышленность. В 2015 году правительство Австралии объявило о десятилетних инвестициях в эксплуатацию объекта через ANSTO, Австралийскую организацию ядерных наук и технологий. Ожидается, что солнечная электростанция мощностью 1,5 МВт, установленная на крыше, позволит сэкономить 2 миллиона долларов на электроэнергии в течение 5 лет. В 2020 году синхротрон был использован для картирования молекулярной структуры вируса COVID-19 во время продолжающейся пандемии COVID-19.
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.
Электронная пушка
Электроны, используемые для генерации синхротронного излучения, сначала создаются в электронном источнике посредством термоэлектронной эмиссии с нагретого металлического катода. Затем эти электроны ускоряются до энергии 90 кэВ (килоэлектронвольт) под действием разности потенциалов в 90 киловольт, приложенной к источнику, и направляются в линейный ускоритель.
Линейный ускоритель
Линейный ускоритель (или линак) использует серию радиочастотных резонаторов, работающих на частоте 3 ГГц, для ускорения электронного пучка до энергии 100 МэВ на расстоянии около 15 метров. В силу особенностей этого ускорения, пучок необходимо разделять на дискретные пакеты, или "пучки". Формирование пучков происходит в начале линака с использованием нескольких "формирующих" резонаторов. Линак может ускорять пучок один раз в секунду. Далее по линаку используются квадрупольные магниты для фокусировки электронного пучка.
Синхротронный бустер
Ускоритель представляет собой электронный синхротрон, который принимает 100-мегаэлектронвольтную пучок из линака и увеличивает его энергию до 3 ГэВ. Окружность кольца ускорителя составляет 130 метров, оно содержит одну 5-ячеечную радиочастотную резонаторную полость (работающую на частоте 500 МГц), которая обеспечивает энергией электронный пучок. Ускорение пучка достигается одновременным увеличением напряженности магнитного поля и полей резонатора. Каждый цикл нарастания занимает приблизительно 1 секунду (для полного нарастания и спада).
Складское кольцо
Кольцо хранения – это конечная точка для ускоренных электронов. Его длина окружности составляет 216 метров, и оно состоит из 14 почти идентичных секторов. Каждый сектор включает в себя прямой участок и дугу, при этом каждая дуга содержит два дипольных магнита, выполняющих функцию изгиба. Каждый дипольный магнит является потенциальным источником синхротронного излучения, а большинство прямых участков также могут быть оснащены вставными устройствами, что обеспечивает возможность создания более 30 линий излучения на Австралийском синхротроне. Два прямых участка используются для размещения в кольце хранения резонаторов радиочастоты 500 МГц, которые необходимы для компенсации энергии, теряемой пучком за счет синхротронного излучения. Кольцо хранения также содержит большое количество квадрупольных и секступольных магнитов, используемых для фокусировки пучка и коррекции хроматических аберраций. Кольцо рассчитано на удержание тока 200 мА при времени жизни пучка более 20 часов.
Вакуумные системы
Электронный пучок поддерживается в состоянии очень высокого вакуума на протяжении всего процесса ускорения и внутри кольца хранения. Этот вакуум необходим, так как любое столкновение пучка с молекулами газа быстро снизит качество пучка и уменьшит время его жизни. Вакуум достигается путем размещения пучка внутри системы труб из нержавеющей стали, при этом многочисленные вакуумные насосные системы непрерывно работают для поддержания высокого качества вакуума. Давление внутри кольца хранения обычно составляет около 10−13 бар (10 нПа).
Система управления
Каждый цифровой и аналоговый канал ввода/вывода связан с записью в базе данных в настроенной распределенной системе баз данных с открытым исходным кодом, называемой EPICS (Experimental Physics and Industrial Control System – Экспериментальная физика и промышленная система управления). Состояние системы отслеживается и управляется путем подключения специализированных графических интерфейсов (GUI) к указанным записям базы данных. Существует около 171 000 записей базы данных (также известных как технологические параметры), многие из которых связаны с физическими каналами ввода/вывода. Около 105 000 из них постоянно архивируются с интервалами от долей секунды до минут. Частичное управление физическими параметрами пучка осуществляется с помощью MATLAB, который также предоставляет инструменты анализа данных и интерфейс с компьютерной моделью ускорителя. Защита персонала и оборудования обеспечивается с помощью систем на базе ПЛК, которые также передают данные в EPICS. Линии пучков (Beamlines) также используют EPICS в качестве основы для управления.