La instalación de Dongguan duplica la potencia de diseño original
La Fuente de Neutrones por Espalación de China, en Dongguan, provincia de Guangdong, ha comenzado a atender a investigadores con una potencia de haz de 200 kilovatios, el doble del nivel especificado en su diseño original. El Instituto de Física de Altas Energías de la Academia China de Ciencias anunció el 24 de octubre que la instalación alcanzó ese hito el día 20, tras casi un mes de ajustes del acelerador.
Contenido
- La instalación de Dongguan duplica la potencia de diseño original
- Cómo un haz de protones se convierte en una herramienta de investigación
- Qué pueden obtener los investigadores
- Las paradas de verano dan espacio a la construcción
- Controlar un haz más denso
- Un nuevo blanco y mantenimiento de los instrumentos
- Cómo el plan de 500 kW amplía la capacidad
- Las fechas de la modernización
- La demanda va más allá del acelerador
- Puntos clave
Este logro aumenta de inmediato la capacidad de una instalación cuyos 11 instrumentos de neutrones están a disposición de los usuarios. También pone a prueba equipos y métodos de operación necesarios para la segunda fase de construcción, conocida como CSNS-II, que busca elevar la potencia del haz a 500 kW.
El instituto señaló que los especialistas en aceleradores redujeron las pérdidas del haz pese al aumento de potencia. Mantener más partículas en la trayectoria prevista es importante porque las que se desvían pueden depositar energía en los equipos circundantes y dificultar un funcionamiento confiable.
Los últimos trabajos van más allá del acelerador. El 25 de septiembre se instaló y probó un nuevo blanco, denominado T8, con un sistema de refrigeración diseñado para operar a 200 kW. Los equipos de mantenimiento también revisaron los instrumentos que los investigadores utilizan para analizar materiales.
Para los científicos que estudian baterías, aleaciones, materiales biológicos y otras muestras, el valor práctico reside en los neutrones que llegan a sus experimentos. Una fuente más potente puede obtener mediciones útiles con mayor rapidez y facilitar investigaciones que requieren muestras más pequeñas o mayor nivel de detalle. La instalación ya alcanzó el doble de su potencia original, aunque será necesario seguir construyendo el acelerador para llegar al objetivo de la segunda fase.
Cómo un haz de protones se convierte en una herramienta de investigación
CSNS produce neutrones al acelerar protones y dirigirlos hacia un blanco. Las colisiones liberan neutrones mediante un proceso denominado espalación. Los instrumentos dirigen esos neutrones hacia las muestras y miden cómo se dispersan.
Los científicos analizan los cambios en la dirección, la energía y el momento de los neutrones dispersados para determinar cómo están dispuestos los átomos y cómo se mueven. En términos sencillos, las partículas actúan como sondas de estructuras demasiado pequeñas para observarse con un microscopio convencional.
La potencia del haz describe la energía que este transmite cada segundo. Al aumentarla, la fuente puede producir más neutrones y ofrecer a los investigadores más información para recopilar. El beneficio para cada experimento también depende del instrumento, la muestra y el método de medición.
Qué pueden obtener los investigadores
Wang Sheng, subdirector del Instituto de Física de Altas Energías y director general del proyecto de modernización, describió los beneficios científicos previstos cuando comenzó la construcción de la segunda fase en marzo de 2024.
«Una vez concluida la fase II, la fuente podrá generar más neutrones al mismo tiempo, lo que permitirá reducir la duración de los experimentos y mejorar su resolución, además de medir muestras más pequeñas y estudiar procesos dinámicos más rápidos», dijo Wang.
Las mediciones más breves pueden liberar tiempo de uso de los instrumentos para más proyectos. Una mejor resolución permite distinguir detalles que de otro modo se confundirían, mientras que las mediciones más rápidas ayudan a seguir los cambios que se producen dentro de un material.
La instalación ya respalda investigaciones sobre baterías de iones de litio, células solares, componentes aeroespaciales, materiales magnéticos, superconductores, películas delgadas y aleaciones de alta resistencia. Zhang Junrong, responsable de los experimentos de usuarios y las aplicaciones en CSNS, señaló estas áreas al describir el trabajo de la instalación durante el lanzamiento de la segunda fase.
Estos temas vinculan el acelerador con problemas prácticos. El estudio de las baterías puede examinar los cambios que sufren los materiales durante el uso, mientras que las investigaciones sobre aleaciones y componentes aeroespaciales pueden ayudar a comprender cómo se relacionan sus estructuras internas con su rendimiento. La modernización también busca ampliar el trabajo en ciencias de la vida, desarrollo de medicamentos y diseño de catalizadores.
Las paradas de verano dan espacio a la construcción
El equipo de CSNS-II aprovecha la parada anual de verano para instalar equipos y limitar las interrupciones de las investigaciones programadas. Esto exige una secuencia ajustada: la construcción, las pruebas de los equipos y los ajustes del acelerador deben coordinarse con el funcionamiento de una instalación científica ya operativa.
Durante la última parada, los trabajadores instalaron y probaron equipos en la sección inicial del acelerador lineal, todos los moduladores de estado sólido y una tercera cavidad de aleación magnética en el sincrotrón de ciclo rápido. Los moduladores suministran pulsos eléctricos controlados, mientras que la cavidad ayuda a proporcionar la energía necesaria para acelerar el haz.
El acelerador lineal impulsa las partículas en línea recta antes de que entren en el sincrotrón, donde circulan y ganan energía adicional. Los equipos de ambas partes deben funcionar de manera coordinada para que el haz llegue al blanco en las condiciones requeridas.
Según el instituto, ya se instaló todo el equipo del acelerador previsto para CSNS-II, salvo la sección superconductora. Esa sección pendiente forma parte del trabajo necesario para aumentar a 300 millones de electronvoltios, o 300 MeV, la energía del haz del acelerador lineal.
Controlar un haz más denso
El aumento de potencia hizo más difícil ajustar el acelerador. Los cambios en la configuración de los equipos interactuaron con las fuerzas dentro del haz y con su entorno, creando condiciones en las que grupos de partículas podían volverse inestables.
Uno de los desafíos fue la carga espacial, es decir, la repulsión eléctrica entre partículas con la misma carga. Otro fueron las interacciones entre el haz y las estructuras del acelerador, descritas como efectos de impedancia del haz. En conjunto, estos efectos pueden perturbar el haz y aumentar la cantidad de partículas que se pierden a lo largo de su trayectoria.
El equipo del acelerador ajustó secciones clave del acelerador lineal modernizado, entre ellas el cuadrupolo de radiofrecuencia, o RFQ, y la sección de transporte del haz de energía media, o MEBT. Estas secciones preparan, aceleran y guían el haz antes de la siguiente etapa.
El instituto señaló que cambios importantes en el modo de operación resolvieron la inestabilidad colectiva del haz. También afirmó que el índice de densidad del haz superó el nivel más alto registrado en aceleradores comparables a nivel internacional. El anuncio no proporcionó un valor numérico para ese índice ni indicó cuánto se redujeron las pérdidas del haz.
La reducción de las pérdidas, según lo informado, aporta al proyecto un resultado que va más allá de alcanzar una determinada potencia: el equipo demostró cómo operar un haz más exigente manteniendo bajo control a una mayor proporción de sus partículas.
Un nuevo blanco y mantenimiento de los instrumentos
El blanco T8 está situado en el punto donde los protones acelerados chocan para liberar neutrones. Su sistema de refrigeración está diseñado para operar a 200 kW y cuenta con nuevos equipos que vigilan la temperatura de las placas del blanco.
La gestión del calor se vuelve más exigente al aumentar la potencia del haz. Las mediciones de T8 contribuirán al diseño del blanco más potente que requiere CSNS-II y darán a los ingenieros experiencia operativa antes de que la instalación avance hacia los 500 kW.
Los 11 instrumentos disponibles para los usuarios también recibieron mantenimiento durante el verano. Los trabajos abarcaron cámaras de dispersión, obturadores, detectores y entornos de muestra, elementos que influyen en la realización y la medición de los experimentos.
Los obturadores controlan qué partes de un pulso de neutrones atraviesan un instrumento. Los detectores registran los neutrones dispersados, mientras que los entornos de muestra permiten estudiar materiales en condiciones específicas, como distintas temperaturas. El mantenimiento de estos sistemas prepara la parte experimental de la instalación para aprovechar la fuente más potente.
Cómo el plan de 500 kW amplía la capacidad
El Instituto de Física de Altas Energías detalló la magnitud de CSNS-II en su anuncio de lanzamiento del proyecto. La reunión de lanzamiento tuvo lugar en Dongguan el 30 de marzo de 2024 y se anunció un periodo de construcción de cinco años y nueve meses.
El plan oficial eleva la potencia del haz de 100 kW a 500 kW y aumenta de 11 a 20 el número de espectrómetros de neutrones. También incluye dos terminales experimentales adicionales, uno de ellos para experimentos con protones de alta energía. El programa de construcción contempla laboratorios para usuarios, además de nuevos instrumentos y terminales.
El aumento previsto de 11 a 20 espectrómetros suma nueve instrumentos, una ampliación de alrededor del 82 %. El objetivo de potencia es cinco veces el diseño original de 100 kW. Con 200 kW, la instalación opera al 40 % de la potencia final prevista, aunque el avance de la construcción depende de muchos otros factores.
La actualización más reciente describe el proyecto como completado en aproximadamente la mitad de su construcción. Las obras concluyeron a finales de septiembre y el 15 de octubre se instaló un refrigerador de helio capaz de proporcionar cerca de 1 kW de refrigeración a 2 kelvin. Dos kelvin equivalen a unos 271 grados Celsius bajo cero, una temperatura utilizada en sistemas superconductores de aceleradores.
Las fechas de la modernización
CSNS pasó de su programa de construcción original a una ampliación que se lleva a cabo junto con las operaciones para usuarios. Las principales fechas muestran cómo encaja el último hito en ese esfuerzo más amplio.
- 2011: Comenzó la construcción del proyecto original de CSNS, con una inversión de 2.300 millones de yuanes.
- Agosto de 2018: La instalación entró en servicio.
- 30 de marzo de 2024: Se celebró en Dongguan la reunión de lanzamiento de CSNS-II, con un periodo de construcción anunciado de cinco años y nueve meses.
- 25 de septiembre, durante los últimos trabajos de modernización: Se instaló y probó el blanco T8.
- Finales de septiembre: Concluyeron las obras de construcción de la segunda fase.
- 15 de octubre: Se instaló el refrigerador de helio para operar a 2 kelvin.
- 20 de octubre: La instalación alcanzó el hito de 200 kW tras casi un mes de ajustes del haz.
- 24 de octubre: El Instituto de Física de Altas Energías anunció el inicio de las operaciones para usuarios con la potencia más alta.
El siguiente paso del acelerador señalado por el instituto es elevar a 300 MeV la energía del haz del acelerador lineal. La experiencia de la puesta en marcha más reciente servirá de guía para ese trabajo y para el posterior aumento de potencia.
La demanda va más allá del acelerador
En su anuncio de lanzamiento de 2024, el instituto registró más de 6.000 usuarios inscritos y más de 1.500 proyectos experimentales completados desde que CSNS comenzó a operar en 2018. Esas cifras describen la instalación en el momento del anuncio.
Según el instituto, más de 100 proyectos completados contaron con usuarios de Hong Kong, Macao, Taiwán y otros países. La comunidad de usuarios abarca los ámbitos de la energía, la física, los materiales y la ingeniería, lo que genera demanda tanto de acceso a los instrumentos como de una mayor variedad de condiciones experimentales.
Zhang Junrong, responsable de los experimentos de usuarios y las aplicaciones, describió la necesidad de ampliar la instalación durante el lanzamiento.
«Es urgente modernizar CSNS para atender la creciente demanda de los usuarios», dijo Zhang.
La segunda fase responde a esa demanda de dos maneras complementarias. Los haces más potentes pueden acelerar algunas mediciones, mientras que los instrumentos adicionales ofrecen a los investigadores más lugares y métodos para realizar experimentos. Para los usuarios, el resultado depende de que ambos elementos funcionen en conjunto: una fuente más potente y capacidad experimental suficiente para convertir sus neutrones en resultados.
Puntos clave
- CSNS alcanzó los 200 kW el 20 de octubre e inició operaciones para usuarios con el doble de su potencia de diseño original.
- El instituto afirma que las pérdidas del haz disminuyeron al aumentar la potencia, tras los ajustes de los equipos y los cambios en el modo de operación.
- Un nuevo blanco T8 y el mantenimiento de los 11 instrumentos para usuarios respaldan las operaciones con la potencia más alta.
- CSNS-II busca alcanzar los 500 kW y aumentar de 11 a 20 el número de espectrómetros de neutrones, además de incorporar terminales experimentales adicionales.
- Aún falta instalar la sección superconductora del acelerador; entre los próximos pasos figura elevar a 300 MeV la energía del acelerador lineal.
- La ampliación busca facilitar mediciones más rápidas, el análisis de muestras más pequeñas y una variedad más amplia de investigaciones.
