Actualización avanzada de fuente de luz aprobada para comenzar la construcción

La fuente de luz avanzada (ALS), una instalación científica para usuarios en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía, recibió la aprobación federal para comenzar la construcción de una actualización que aumentará el brillo de sus haces de rayos X al menos un céntuplo.

"La actualización de ALS es una empresa de ingeniería increíble que nos brindará una herramienta científica aún más poderosa", dijo Michael Witherell, director de Berkeley Lab. "No puedo esperar a ver las muchas formas en que los investigadores lo usan para mejorar el mundo y abordar algunos de los mayores desafíos que enfrenta la sociedad actual".

Los científicos utilizarán el ALS actualizado para investigaciones que abarcan la biología; química; física; y materiales, energía y ciencias ambientales. La luz más brillante, más similar a la de un láser, ayudará a los expertos a comprender mejor lo que sucede a escalas extremadamente pequeñas a medida que se llevan a cabo las reacciones y los procesos. Estos conocimientos pueden tener una gran variedad de aplicaciones, como mejorar las baterías y las tecnologías de energía limpia, crear nuevos materiales para sensores y computación, e investigar la materia biológica para desarrollar mejores medicamentos.

"Eso es lo maravilloso del ALS: las aplicaciones son tan amplias y el impacto es tan profundo", dijo Dave Robin, director del proyecto para la actualización del ALS. "Lo que realmente me emociona todos los días es saber que, cuando esté completa, la actualización de ALS permitirá a los investigadores realizar avances científicos en muchas áreas diferentes durante los próximos 30 a 40 años".

La aprobación del DOE, conocida como Decisión crítica 3 (CD-3), libera formalmente fondos para comprar, construir e instalar actualizaciones del ALS. Esto incluye la construcción de un anillo de almacenamiento y un anillo acumulador completamente nuevos, la construcción de cuatro líneas de luz (dos nuevas y dos mejoradas) y la instalación de mejoras sísmicas y de protección para la estructura de hormigón que alberga el equipo. El proyecto de $ 590 millones es la mayor inversión en Berkeley Lab desde que se construyó el ALS en 1993.

"Nuestro equipo ha pasado años diseñando cada imán, componente del sistema de vacío, cavidad de RF [radiofrecuencia], fuente de alimentación y el resto del diseño personalizado", dijo Robbie Leftwich-Vann, gerente de proyecto de Berkeley Lab para la actualización. "Es emocionante dejar el papel y entrar en el mundo de instalar cosas y hacerlo realidad".

El ALS genera rayos X al hacer circular electrones a través de un anillo de almacenamiento de 600 pies de circunferencia. A medida que los electrones viajan a través de esta serie de imanes, irradian luz a lo largo de las líneas de luz hacia las estaciones donde los investigadores realizan experimentos. La luz viene en muchas longitudes de onda, pero el ALS se especializa en rayos X "suaves" que revelan las propiedades electrónicas, magnéticas y químicas de los materiales.

El ALS actualizado utilizará un nuevo anillo de almacenamiento con imanes más avanzados que pueden dirigir y enfocar mejor los electrones, creando a su vez haces de luz más brillantes y más ajustados. Esto reducirá los haces de rayos X de unas 100 micras (milésimas de milímetro) a solo unas pocas micras de ancho, lo que significa que los investigadores pueden obtener imágenes de sus muestras con una resolución aún más fina y en escalas de tiempo más cortas. Es como cambiar de la cámara de un teléfono celular con poca luz a una cámara de alta velocidad de primera línea con luz diurna intensa.

El perfil del haz de la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab hoy (izquierda), comparado con el haz altamente enfocado (derecha) que estará disponible después de la actualización. (Crédito: Laboratorio de Berkeley)

"Con la actualización, podremos estudiar de forma rutinaria cómo cambian las muestras en 3D, algo que actualmente es muy difícil de hacer", dijo Andreas Scholl, físico en Berkeley Lab y director de división interino de ALS. "Uno de nuestros objetivos es encontrar y desarrollar los materiales que serán esenciales para la próxima generación de tecnologías en áreas como el almacenamiento de energía y la computación".

Con 40 líneas de luz y más de 1600 usuarios por año, el ALS apoya una variedad de investigaciones. Por ejemplo, los investigadores pueden observar cómo los microbios descomponen las toxinas, estudiar cómo interactúan las sustancias para producir mejores células solares o biocombustibles y probar materiales magnéticos que podrían tener aplicaciones en microelectrónica. Los equipos construirán dos nuevas líneas de luz optimizadas para aprovechar la luz mejorada y realinearán y actualizarán varias líneas de luz existentes.

Un elemento crucial de la actualización que ya está en marcha es un segundo anillo conocido como acumulador, que tomará los electrones producidos por el complejo acelerador y los preparará para el nuevo anillo de almacenamiento. La construcción del acumulador comenzó en 2020 con una aprobación anticipada especial conocida como CD-3a. Al instalar y probar primero el acumulador, los equipos pueden minimizar el tiempo que se detendrán las operaciones de ALS para completar la actualización.

El ALS utilizará una técnica llamada "inyección de intercambio en el eje" desarrollada por científicos en Berkeley Lab. Permitirá que el acumulador y los anillos de almacenamiento trabajen juntos para crear haces ordenados increíblemente brillantes para la investigación que pueden revelar detalles a nanoescala en materiales y reacciones.

Si alguna vez ha tratado de mover muebles grandes en un apartamento del segundo piso, entiende una muestra de lo que implicará la instalación del nuevo anillo de almacenamiento ALS.

"El mayor desafío para ALS-U es el espacio", dijo Daniela Leitner, quien dirige el equipo de remoción e instalación del proyecto. "Literalmente estamos midiendo si podemos poner una mano en un área en particular".

Muchos elementos en el túnel del acelerador no se pueden mover, incluido el nuevo anillo acumulador que se extenderá a lo largo de la pared interior del túnel. Los expertos han utilizado extensos modelos y simulaciones para asegurarse de que el anillo de almacenamiento actual se pueda quitar de manera segura a lo largo de las rutas de acceso designadas y reemplazarlo con las nuevas balsas de imanes.

Esta animación muestra una sección del anillo de almacenamiento que viaja a través del túnel del acelerador. El anillo acumulador es visible en la parte inferior. Las simulaciones aseguran que todas las diferentes piezas de la mejora podrán entrar y salir del espacio reducido. (Crédito: Christopher Bullock/Berkeley Lab)

Durante los próximos tres años, los equipos adquirirán y construirán todas las piezas para el nuevo anillo de almacenamiento y otras mejoras. Con todo preparado, el ALS entrará en aproximadamente un año de "tiempo oscuro" para la instalación y puesta en servicio inicial.

"Cuando el acelerador se apaga, el reloj se pone en marcha", dijo Leitner. "Las cosas deben funcionar como un ballet coreografiado".

Cuatro equipos trabajando en paralelo desmantelarán el actual anillo de almacenamiento ALS. Eso significa mover casi 500 toneladas de equipos, incluidos imanes, cables y vigas de soporte (que deberán cortarse con plasma en tres piezas antes de poder extraerlas). Luego, trasladarán 500 toneladas de equipos de última generación, conectarán cuidadosamente todos los componentes y devolverán la vida a un ALS mejorado. Entonces será la fuente más intensa de rayos X suaves coherentes (similares a un láser) en el mundo.

"La preparación para esta actualización ha sido un esfuerzo de todo el laboratorio que tendrá un gran impacto en la comunidad científica", dijo Witherell. "Felicito a todo el equipo de ALS-U por su compromiso y arduo trabajo".

Realice un recorrido virtual por el anillo de almacenamiento de fuente de luz avanzada existente. Utilice su ratón para navegar por los túneles de ALS. Ver una versión de pantalla completa. (Crédito: Matterport, laboratorio de Berkeley)

La fuente de luz avanzada es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

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Fundado en 1931 con la creencia de que los mayores desafíos científicos se abordan mejor en equipo, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y sus científicos han sido reconocidos con 16 premios Nobel. En la actualidad, los investigadores de Berkeley Lab desarrollan soluciones medioambientales y de energía sostenible, crean nuevos materiales útiles, avanzan en las fronteras de la informática y exploran los misterios de la vida, la materia y el universo. Científicos de todo el mundo confían en las instalaciones del laboratorio para su propia ciencia de descubrimiento. Berkeley Lab es un laboratorio nacional multiprograma, administrado por la Universidad de California para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.

La Oficina de Ciencias del DOE es el mayor patrocinador individual de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite energy.gov/science.