شتاب‌دهنده ذرات چگونه کار می‌کند؟

شتاب‌دهنده ذرات چگونه کار می‌کند؟

 

شتاب‌دهنده ابررسانای LCLS-II:

LCLS-II، یک شتاب‌دهنده ابررسانا معرفی خواهد کرد که یک سوم تونل شتاب‌دهنده خطی اصلی SLAC به طول ۲ مایل را اشغال می‌کند، و یک پرتوی لیزر اشعه ایکس تقریباً پیوسته را تولید خواهد کرد. علاوه بر شتاب‌دهنده جدید، LCLS-II به یک تعداد اجزای پیشرفته دیگر نیاز دارد که شامل یک منبع الکترون جدید،  و یک دستگاه خنک کننده قدرتمند است که برای شتاب‌دهنده، مایه سردکننده، و دو موج‌گیر جدید برای ایجاد اشعه ایکس تولید می‌کنند. واحد درسی: آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی SLAC

یک روز با دو کارشناس شتاب‌دهنده همراه می‌شویم:

کاتلین راتکلیف و تین فک در طول چندین سال گذشته همکاری کرده‌اند تا به ایجاد شتاب‌دهنده ابررسانایی کمک کنند که موجب پیشرفت‌های علمی جدید لیزر اشعه ایکس SLAC می‌شود. برطبق کاتلین راتکلیف و تین فک تن، مدیران دپارتمان آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی SLAC انرژی، یک شتاب‌‌دهنده را بهبود می‌بخشند که مانند مدرنیزه کردن یک خانه می‌ماند. این دو کارشناس در این آزمایشگاه کار تیمی بیشتری را انجام می‌دهند، و فیزیک و فناوری با شدت و حدت بیشتری اعمال می‌کنند تا موجب کار کردن شتاب‌دهنده شوند.

هردوی آنها مسئول تیم‌های هیئت مدیره شتاب‌دهنده SLAC هستند، که روی نسخه ارتقا یافته برای لیزر اشعه ایکس LCLS کار می‌کنند. پروژه LCLS-II شامل اضافه کردن یک شتاب‌دهنده ابررسانا هستند که یک پرتوی لیزر اشعه ایکس دومی را نیز ایجاد خواهند کرد که ۱۰۰۰۰برابر درخشان تر و حرارتش ۸۰۰۰ برابر سریع تر از پردازشگر،  تا حداکثر ۱ میلیون برای هر ثانیه می‌باشد.

نقشه اولیۀ طراحی LCLS-II:

لیزر اشعه ایکس LCLS-II (آبی، سمت چپ) در امتداد با LCLS پیشین (قرمز، در سمت راست) نشان داده می‌شود. LCLS آخرین نمونه از سومین شتاب‌دهنده خطی   SLACاست به طول ۲ مایل، که از آن استفاده می‌کنند؛ یک ساختار مسی توخالی که در دمای اتاق عمل می‌کند و به تولید ۱۲۰ پالس اشعه ایکس بر ثانیه اجازه می‌دهد. برای LCLS-II، اولین نمونه از سومین شتاب‌دهنده مسی با یک شتاب‌دهنده ابررسانا جایگزین می‌شود، که قادر به ایجاد حداکثر تا ۱ میلیون فلش اشعه ایکس بر ثانیه است. واحد درسی: آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی SLAC.

کار راتکلیف شامل هماهنگ کردن تولید، توزیع و نصب اجزای شتاب‌دهنده است. تَن متصدی مهندسانی هستند که قطعات را طراحی می‌کنند.  هنگامی که مسائل در طول نصب توسعه می‌یابند، تن با دیگر مهندسان همکاری می‌کند تا راه حلی را بدست آورند. راتکلیف طراحی‌شان را می‌‎پذیرد و آنها را به اجزای فیزیکی و سیستم‌ها تبدیل می‌کند. سپس مونتاژ قطعات توسط راتکلیف، تن و تیم‌های مهندسی و تکنسین‌ها تبدیل به یک شتاب‌دهنده می‌شود.

ضرورتاً، تن کار یک معمار را انجام می‌دهد که طراحی می‌کند و آن طرح‌ها را اصلاح می‌کند و راتکلیف وظیفۀ پیمانکاری را دارد که می‌کوشد تا اجرایشان را ممکن سازد. این دو پی در پی در حال تغذیه اطلاعات و ایده‌ها به همدیگر هستند تا کارکرد محصول نهایی مورد انتظار را تضمین کنند. علاوه بر این، برای انجام کارشان به همکاری و هماهنگی صدها فرد مختلف سرتاسر دپارتمان‌های متعدد در SLAC نیاز دارند.

خطوط پرتوی LCLS-II:

خطوط پرتوی LSCLS-II. واحد درسی: آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی SLAC:

و اکنون، بعد از سال‌ها کار، راتکلیف و تن برای زمان درخشیدن شتاب‌دهنده مشتاق هستند: LCLS-II قرار است که در سال ۲۰۲۲ شروع به کار کند. این نسخه ارتقا یافته، به SLAC اجازه خواهد داد تا میزبان انواع جدید آزمایشات پیشرفته باشد، که موجب پیشرفت در علوم مواد، فیزیک، شیمی و زیست می‌شود.

برای پاسخ به فراخوانی ساخت یک لیزر اشعه ایکس جدید کاملاً بهبود یافته، SLAC در حال توسعه یک نسخه ارتقا یافتۀ منبع نور منسجم لیناک(LCLS) است که پیشرو در زمینۀ دانش اشعه ایکس خواهد بود.

توده‌ای از قطعات:

مدیر نصب برای ارتقای LCLS-II، به راتکلیف تضمین می‌دهد که کل شتاب‌دهنده با امنیت سرهم می‌شود و بر طبق پیش‌نیازهای فیزیک، دستگاه را قادر خواهد ساخت تا روی اشعه الکترون متمرکز شود و آن را هدایت کرده و شتاب بخشند. ساختن تقریباً ۴ کیلومتر شتاب‌دهنده نیز مستلزم موارد بسیاری است، و چون راتکلیف نیز سرپرست دپارتمان برنامه ریزی فنی در هیئت مدیره است، همه آنها را سازماندهی می‌کند.

کاتلین راتکلیف SLAC:

کاتلین راتکلیف SLAC، تولید، توزیع و نصب قطعاتی را هماهنگ می‌کنند که شتاب‌دهنده ابررسانای جدید برای LCLS-II را تشکیل می‌دهند، و لیزر الکترون آزاد اشعه ایکس، منبع نور منسجم لیناک آزمایشگاه را بطور قابل توجهی ارتقا می‌دهند. واحد درسی: جاکولین رمسایر ارل/ آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی SLAC.

دیان یرمیان،  یک پزشک در SLAC که با راتکلیف در SLAC برای بیش از سه دهه کار کرده است می‌گوید واقعاً کار سختی است، اما وی با شدت مشابهی ادامه می‌دهد.

شدت کار تنها در طول پاندمی ویروس کرونا افزایش یافت. درحالی که ساکنین کالیفرنیا در محل خود، قطعات را تامین می‌کردند؛ قطعاتی که برای شتاب‌دهنده جدید همچنان از عرضه کنندگان خارجی وارد می‌شد. تیم‌های موجودی انبار و نصب، پروتکل‌های ایمنی از کرونا را اقتباس کردند که به آنها اجازه می‌دهد تا به سرعت، تولید و ساخت را از سر بگیرند. اما آنها هنوز در حال یادگیری برای انجام آن هستند.

راتکلیف می‌گوید که این توده از قطعات وجود داشت. اگر شما جلوی یک ساختمان عظیم ایستاده‌اید، شما نمی‌توانید پشت ساختمان را ببینید. او می‌گوید تماشای تبدیل آن توده به یک شتاب‌دهنده به شدت راضی کننده خواهد بود.

الزام برای سرعت گرفتن:

تَن سرپرست مهندسین مکانیک و مدیر نصب LCLS-II است، پس او و تیمش می‌کوشند تا آن قطعات و سیستم‌ها را با شتاب‌دهنده ادغام کنند.  همچنین او سرپرست دپارتمان مهندسی مکانیک در هیئت مدیره است و در SLAC نزدیک به تقریباً ۴ سال کار کرده است.

تین فک تن SLAC بر مهندسانی نظارت می‌کند که قطعات LCLS-II (یک نسخه ارتقا یافته برای لیزر الکترون آزاد اشعه ایکس منبع نور منسجم لیناک آزمایشگاه) را طراحی می‌کنند. همچنین تیمش هر مشکلی که در طول نصب روی دهد را بررسی می‌کنند. واحد درسی: جاکولین رامسیر ارل/ آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی SLAC.

یرمین می‌گوید که آنچه درباره تین تاثیرگذار است این است که او از جهان شتاب‌دهنده نمی‌آید. در مدت کوتاهی، او درک کافی از فیزیک بدست آورد و توانست راه حل‌های مهندسی را بدست آورد که برای عمل کردن شتاب‌دهنده موثر است.

راتکلیف می‌گوید در طول پروژه LCLS-II، راتکلیف و تن صمیمانه با همدیگر کار کردند. ما هردو به همدیگر نیاز داریم تا مسیرهایی برای موفقیت در پروژه پیدا کنیم.

همچنین آنها نیز با تیم‌های بزرگ کار می‌کنند تا پا را، فراتر از دپارتمان‌های داخلی خود گذارند. تن می‌گوید همچنین ما دو تا از افرادی هستیم که روی شتاب‌دهنده کار می‌کنند و این کار هرکسی را درگیر می‌کند و واقعاً به افراد زیادی نیاز دارد.

چیدن پازل کنار هم:

هر بخشی از شتاب‌دهنده نیازها و چالش‌های مختلفی دارد، و راتکلیف و تن با بخشی کار می‌کنند که منجر به سازگار کردن تخصصشان با همه آنها می‌شود. به ویژه یرمین از کار تن و راتکلیف روی بخش LCLS-II تحت تاثیر قرار گرفت، و بر انژکتور نظارت می‌کند. بعد از اینکه ذرات از منبع الکترون پدیدار شدند، این بخش ۹۰ متری ماشین، انرژی‌شان را ۱۰۰ برابر افزایش می‌دهد، و باعث می‌شود سرعتشان نزدیک به سرعت نور شود. انژکتور به ویژه جمع می‌شود و خیلی از قطعات باید در یک فضای فشرده سرهم شوند.

تن و راتکلیف با یک دسته بندی مربوط به ارتفاع  مواجه می‌شوند: آنها باید مطمئن شوند همه این قطعات به درستی بدون توزیع فیزیک خیلی دقیق، مورد نیاز برای کار کردن انژکتور مناسب هستند.

تن می‌گوید: هرروز، شما می‌کوشید تا معمای خیلی جالبی را بفهمید.

حتی در حین اینکه نصب در دست انجام است، تن باید پی در پی اطلاعات جدید را یکپارچه کند تا از اینکه چطور برنامه‌ها برای شتاب‌دهنده در واقعیت کنار هم قرار می‌گیرند، سر در آورد. هنگامی که قطعات به دستکاری نیاز دارند، او و راتکلیف با تیم‌هایشان کار کردند تا آنها را با دقت و کارایی، تولید و نصب کنند.

دیان می‌گوید آنچه در سیستم‌های پایین دست می‌آموزند، من در انژکتور از آن استفاده می‌کنم. آنها آنچه در تیم من می‌آموزند را به سرپرست‌های تیم دیگر منتقل می‌کنند و سرپرست‌های تیم دیگر قادر خواهند بود که بخش تیم خود را به خاطر آن بهبود دهند.

ساخت یک یادبود:

همه این حل خلاقانه پازل در یک محیط ویژه به نام تونل شتاب‌دهنده ۶۰ ساله رخ می‌دهد.

راتکلیف می‌گوید: اگر شما بعد از بارش باران به شتاب‌دهنده دست بزنید، گرم و مرطوب است و دارای یک بوی متمایز از آن است. بوی بدی نیست اما فکر می‌کنم که شما آن را هرجای دیگری پیدا خواهید کرد.

در حالی که بیشتر این تونل در طول سالیان گذشته به روز رسانی شده‌اند، برخی از زمینه‌هایی که درگیر در ارتقای LCLS-II بودند، بدون تماس باقی ماندند ؛ البته قبل از اینکه تن و تیمش وارد آن زمینه‌ها شوند.

در برخی ورژن‌های شتاب‌دهنده، قطعات قدیمی حذف شده‌اند تا برای اجزای ارتقا یافته فضای کافی باز کنند. اما در بسیاری از بخش‌ها، تجهیزات برای شتاب‌دهنده جدید مورد نیاز است تا با ماشین آلات فعلی ادغام شوند ماشین آلاتی که هنوز برای تحقیقات در SLAC حیاتی هستند.

راتکلیف می‌گوید این کار برای مدل سازی مجدد خانه تاریخی است که نسبت به ساختن یک خانه بدون منابع چالش برانگیزتر و هیجان انگیزتر است. مواد واقعاً سرد زیادی وجود دارند که می‌خواهید حفظ کنید، اما شما ممکن است بخواهید آن را مدرنیزه کنید. پس شما همه موارد قدیمی و جدید را باهمدیگر ترکیب کرده‌اید.

این مدلسازی مجدد راتکلیف و تن را بخشی از یادبود ۶۰ ساله سازنده شتاب‌دهنده در SLAC می‌سازند. تن می‌گوید: خیلی باید خونسرد بود که وارد کاری شوید که همه تاریخچه آن چیزهایی که شخص دیگری رویش کار کرده است را بررسی کنید. شما می‌کوشید که پی ببرید چطور برخی از مهندسان ۴۰ یا ۵۰ سال پیش در حال تفکر هستند و چرا آنها چیزهایی را به روش خود می‌سازند.

راتکلیف و تن هردو آگاه هستند که ماشینی که آنها رویش به مدت چندسال گذشته کار کرده‌اند برای پاسخ دادن به سوالات ساختاری درباره فیزیک مورد استفاده قرار خواهند گرفت. تن می‌گوید: ما هرروز به طریقی تاحدی که با این تصویر بزرگ متناسب باشد درخواست کمک می‌کنیم.

اکنون که شتاب‌دهنده جدید تقریباً کامل است. گام بعدی این است که شروع به سرد کردن آن کنیم تا دمای برودتی مورد نیاز برای فناوری ابررسانا، برای عمل کردن قبل از تولید اولین نور در این سال مثمر، ثمر واقع شود. راتکلیف می‌گوید: شما نور را در پایان تونل می‌بینید.

LCLS یک دفتر DOE تسهیلات کاربر علمی است.

SLAC یک آزمایشگاه چندبرنامه‌ای پر جنب و جوش است که بررسی می‌کند که چطور جهان در بزرگترین، کوچکترین و سریعترین مقیاس‌هایش عمل‌ می‌کند و ابزارهای قدرتمند مورد استفاده توسط دانشمندان دور جهان چیست. با تحقیقات پیرامون فیزیک ذرات، فیزیک-نجوم و کیهان‌شناسی، مواد، شیمی، علوم زیستی و انرژی و رایانش علمی، ما به حل مسائل جهان واقعی و پیشرفت علائق ملت کمک می‌کنیم. SLAC توسط دانشگاه استنفورد برای دفتر علوم انرژی دپارتمان ایالات متحده کار می‌کند.  

پیام بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *