Erweitertes Lichtquellen-Upgrade für Baubeginn genehmigt

Die Advanced Light Source (ALS), eine wissenschaftliche Nutzereinrichtung am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Energieministeriums, hat die bundesstaatliche Genehmigung erhalten, mit dem Bau einer Modernisierung zu beginnen, die die Helligkeit ihrer Röntgenstrahlen um mindestens ein Jahr steigern wird hundertfach.

„Das ALS-Upgrade ist ein erstaunliches technisches Unterfangen, das uns ein noch leistungsfähigeres wissenschaftliches Werkzeug geben wird“, sagte Michael Witherell, Direktor des Berkeley Lab. „Ich kann es kaum erwarten, zu sehen, wie Forscher es auf vielfältige Weise nutzen, um die Welt zu verbessern und einige der größten Herausforderungen anzugehen, vor denen die Gesellschaft heute steht.“

Wissenschaftler werden das verbesserte ALS für Forschungen in allen Bereichen der Biologie nutzen; Chemie; Physik; und Material-, Energie- und Umweltwissenschaften. Das hellere, laserähnlichere Licht wird Experten dabei helfen, besser zu verstehen, was auf extrem kleinen Skalen passiert, wenn Reaktionen und Prozesse stattfinden. Diese Erkenntnisse können vielfältige Anwendungsmöglichkeiten haben, etwa die Verbesserung von Batterien und sauberen Energietechnologien, die Entwicklung neuer Materialien für Sensoren und Computer sowie die Untersuchung biologischer Materie zur Entwicklung besserer Medikamente.

„Das ist das Wunderbare am ALS: Die Anwendungen sind so breit gefächert und die Auswirkungen sind so tiefgreifend“, sagte Dave Robin, der Projektleiter für das ALS-Upgrade. „Was mich jeden Tag aufs Neue begeistert, ist die Gewissheit, dass das ALS-Upgrade, wenn es abgeschlossen ist, den Forschern in den nächsten 30 bis 40 Jahren wissenschaftliche Fortschritte in vielen verschiedenen Bereichen ermöglichen wird.“

Die DOE-Genehmigung, bekannt als Critical Decision 3 (CD-3), gibt offiziell Mittel für den Kauf, den Bau und die Installation von Upgrades des ALS frei. Dazu gehören der Bau eines völlig neuen Speicherrings und Akkumulatorrings, der Bau von vier Hauptstrahllinien (zwei neue und zwei verbesserte) sowie die Installation seismischer und abschirmender Upgrades für die Betonkonstruktion, in der die Ausrüstung untergebracht ist. Das 590-Millionen-Dollar-Projekt ist die größte Investition des Berkeley Lab seit dem Bau des ALS im Jahr 1993.

„Unser Team hat Jahre damit verbracht, jeden einzelnen Magneten, jede Vakuumsystemkomponente, jeden HF-Hohlraum (Radiofrequenz), jede Stromversorgung und den Rest des kundenspezifischen Designs zu entwerfen“, sagte Robbie Leftwich-Vann, Projektmanager des Berkeley Lab für das Upgrade. „Es ist spannend, vom Papier wegzukommen und in die Welt einzutauchen, Dinge zu installieren und in die Realität umzusetzen.“

Das ALS erzeugt Röntgenstrahlen, indem es Elektronen durch einen Speicherring mit einem Umfang von 600 Fuß zirkulieren lässt. Während sich die Elektronen durch diese Reihe von Magneten bewegen, strahlen sie Licht entlang von Strahllinien zu Stationen, an denen Forscher Experimente durchführen. Das Licht kommt in vielen Wellenlängen vor, aber das ALS ist auf „weiche“ Röntgenstrahlen spezialisiert, die die elektronischen, magnetischen und chemischen Eigenschaften von Materialien offenbaren.

Das verbesserte ALS wird einen neuen Speicherring mit fortschrittlicheren Magneten verwenden, die die Elektronen besser steuern und fokussieren können und so hellere, dichtere Lichtstrahlen erzeugen. Dadurch werden die Röntgenstrahlen von etwa 100 Mikrometern (Tausendstel Millimeter) auf nur wenige Mikrometer Breite komprimiert, was bedeutet, dass Forscher ihre Proben mit noch feinerer Auflösung und über kürzere Zeiträume abbilden können. Es ist, als würde man bei schwachem Licht von einer Handykamera zu einer High-Speed-Kamera der Spitzenklasse bei hellem Tageslicht wechseln.

Das Strahlprofil der Advanced Light Source des Berkeley Lab heute (links) im Vergleich zum stark fokussierten Strahl (rechts), der nach dem Upgrade verfügbar sein wird. (Quelle: Berkeley Lab)

„Mit dem Upgrade werden wir in der Lage sein, routinemäßig zu untersuchen, wie sich Proben in 3D verändern – was derzeit sehr schwierig ist“, sagte Andreas Scholl, Physiker am Berkeley Lab und interimistischer Abteilungsleiter des ALS. „Eines unserer Ziele ist es, die Materialien zu finden und zu entwickeln, die für die nächste Generation von Technologien in Bereichen wie Energiespeicherung und Computerwesen wesentlich sein werden.“

Mit 40 Strahllinien und mehr als 1.600 Nutzern pro Jahr unterstützt das ALS eine Vielzahl von Forschungsarbeiten. Forscher können beispielsweise untersuchen, wie Mikroben Giftstoffe abbauen, untersuchen, wie Substanzen interagieren, um bessere Solarzellen oder Biokraftstoffe herzustellen, und magnetische Materialien testen, die in der Mikroelektronik Anwendung finden könnten. Die Teams werden zwei neue Strahllinien bauen, die optimiert sind, um das verbesserte Licht zu nutzen, und mehrere bestehende Strahllinien neu ausrichten und verbessern.

Ein entscheidendes Element des bereits laufenden Upgrades ist ein zweiter Ring, der sogenannte Akkumulator, der die vom Beschleunigerkomplex erzeugten Elektronen aufnehmen und für den neuen Speicherring vorbereiten wird. Der Bau des Akkumulators begann im Jahr 2020 mit einer besonderen Vorabgenehmigung namens CD-3a. Durch die Installation und das Testen des Akkumulators können Teams zunächst minimieren, wie lange der ALS-Betrieb angehalten wird, um das Upgrade abzuschließen.

Das ALS wird eine Technik namens „On-Axis-Swap-Out-Injektion“ verwenden, die von Wissenschaftlern des Berkeley Lab entwickelt wurde. Dadurch können die Akkumulator- und Speicherringe zusammenarbeiten, um unglaublich helle, geordnete Strahlen für Forschungszwecke zu erzeugen, die nanoskalige Details in Materialien und Reaktionen offenbaren können.

Wenn Sie jemals versucht haben, große Möbel in eine Wohnung im zweiten Stock zu manövrieren, wissen Sie, was die Installation des neuen ALS-Aufbewahrungsrings bedeutet.

„Die größte Herausforderung für ALS-U ist der Platz“, sagte Daniela Leitner, die das Ausbau- und Installationsteam für das Projekt leitet. „Wir messen buchstäblich, ob wir in einem bestimmten Bereich Hand anlegen können.“

Viele Elemente im Beschleunigertunnel können nicht bewegt werden, darunter auch der neue Speicherring, der entlang der inneren Tunnelwand verläuft. Mithilfe umfangreicher Modellierungen und Simulationen stellten Experten sicher, dass der aktuelle Speicherring entlang der vorgesehenen Zugangswege sicher entfernt und durch die neuen Magnetflöße ersetzt werden kann.

Diese Animation zeigt einen Abschnitt des Speicherrings, der durch den Beschleunigertunnel fährt. Unten ist der Akku-Ring sichtbar. Simulationen stellen sicher, dass alle verschiedenen Teile des Upgrades in den engen Raum hinein- und herausfahren können. (Quelle: Christopher Bullock/Berkeley Lab)

In den nächsten drei Jahren werden die Teams alle Teile für den neuen Speicherring und andere Verbesserungen beschaffen und bauen. Wenn alles vorbereitet ist, wird das ALS für die Installation und Erstinbetriebnahme etwa ein Jahr lang „dunkle Zeit“ erleben.

„Wenn das Gaspedal abschaltet, beginnt die Uhr“, sagte Leitner. „Die Dinge müssen wie ein choreografiertes Ballett ablaufen.“

Vier parallel arbeitende Teams werden den aktuellen ALS-Speicherring ausbauen. Das bedeutet, dass fast 500 Tonnen Ausrüstung bewegt werden müssen, darunter Magnete, Kabel und Stützträger (die vor dem Herausnehmen mit einem Plasma in drei Teile geschnitten werden müssen). Dann transportieren sie 500 Tonnen hochmoderne Ausrüstung, verbinden sorgfältig alle Komponenten und erwecken ein verbessertes ALS wieder zum Leben. Es wird dann die weltweit stärkste Quelle kohärenter (laserartiger) weicher Röntgenstrahlung sein.

„Die Vorbereitung auf dieses Upgrade war eine laborweite Anstrengung, die große Auswirkungen auf die wissenschaftliche Gemeinschaft haben wird“, sagte Witherell. „Ich gratuliere dem gesamten ALS-U-Team zu seinem Engagement und seiner harten Arbeit.“

Machen Sie einen virtuellen Rundgang durch den bestehenden Advanced Light Source-Speicherring. Navigieren Sie mit der Maus durch die Tunnel von ALS. Sehen Sie sich eine Vollbildversion an. (Quelle: Matterport, Berkeley Lab)

Die Advanced Light Source ist eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science.

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Das Lawrence Berkeley National Laboratory und seine Wissenschaftler wurden 1931 mit der Überzeugung gegründet, dass die größten wissenschaftlichen Herausforderungen am besten von Teams bewältigt werden können, und wurden mit 16 Nobelpreisen ausgezeichnet. Heute entwickeln Forscher des Berkeley Lab nachhaltige Energie- und Umweltlösungen, schaffen nützliche neue Materialien, erweitern die Grenzen der Computertechnik und erforschen die Geheimnisse des Lebens, der Materie und des Universums. Wissenschaftler aus der ganzen Welt verlassen sich für ihre eigenen wissenschaftlichen Entdeckungen auf die Einrichtungen des Labors. Berkeley Lab ist ein nationales Multiprogrammlabor, das von der University of California für das Office of Science des US-Energieministeriums verwaltet wird.

Das Office of Science des DOE ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter energy.gov/science.