แหล่งกำเนิดนิวตรอนแบบสปัลเลชันของจีนเริ่มเดินเครื่องที่ 200 กิโลวัตต์ ขณะการขยายกำลังเดินหน้าสู่ 500 กิโลวัตต์

ศูนย์ตงก่วนเพิ่มกำลังเป็นสองเท่าจากที่ออกแบบไว้เดิม

แหล่งกำเนิดนิวตรอนแบบสปัลเลชันแห่งประเทศจีน (CSNS) ในเมืองตงก่วน มณฑลกวางตุ้ง เริ่มให้บริการนักวิจัยด้วยกำลังลำอนุภาค 200 กิโลวัตต์ ซึ่งเป็นสองเท่าของระดับที่กำหนดไว้ในการออกแบบเดิม สถาบันฟิสิกส์พลังงานสูงแห่งสถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีนประกาศเมื่อวันที่ 24 ตุลาคมว่า ศูนย์แห่งนี้ทำสถิติได้เมื่อวันที่ 20 ตุลาคม หลังใช้เวลาเกือบหนึ่งเดือนปรับจูนเครื่องเร่งอนุภาค

ความสำเร็จนี้ช่วยเพิ่มขีดความสามารถของศูนย์ฯ ได้ทันที โดยเครื่องมือนิวตรอนทั้ง 11 ชิ้นเปิดให้ผู้ใช้บริการแล้ว อีกทั้งยังเป็นการทดสอบอุปกรณ์และวิธีเดินเครื่องที่จำเป็นสำหรับการก่อสร้างระยะที่สอง หรือ CSNS-II ซึ่งมีเป้าหมายเพิ่มกำลังลำอนุภาคเป็น 500 kW

สถาบันฯ ระบุว่า ผู้เชี่ยวชาญด้านเครื่องเร่งอนุภาคลดการสูญเสียของลำอนุภาคได้ แม้จะเพิ่มกำลังขึ้นก็ตาม การควบคุมให้อนุภาคส่วนใหญ่เคลื่อนที่ไปตามเส้นทางที่กำหนดมีความสำคัญ เพราะอนุภาคที่หลุดออกจากลำอาจถ่ายเทพลังงานไปยังอุปกรณ์โดยรอบ และทำให้เดินเครื่องได้อย่างน่าเชื่อถือยากขึ้น

งานล่าสุดไม่ได้จำกัดอยู่แค่เครื่องเร่งอนุภาค มีการติดตั้งและทดสอบเป้ารุ่นใหม่ รหัส T8 เมื่อวันที่ 25 กันยายน โดยมีระบบหล่อเย็นที่ออกแบบมาสำหรับการเดินเครื่องที่ 200 kW ทีมซ่อมบำรุงยังเข้าตรวจดูแลเครื่องมือที่นักวิจัยใช้ศึกษาวัสดุด้วย

สำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาแบตเตอรี่ โลหะผสม วัสดุชีวภาพ และตัวอย่างประเภทอื่น คุณค่าที่เกิดขึ้นจริงอยู่ที่นิวตรอนซึ่งเดินทางไปถึงการทดลองของพวกเขา แหล่งกำเนิดที่มีกำลังสูงขึ้นช่วยให้เก็บข้อมูลที่เป็นประโยชน์ได้รวดเร็วขึ้น และรองรับการศึกษาที่ต้องใช้ตัวอย่างขนาดเล็กลงหรือต้องการรายละเอียดมากขึ้น ขณะนี้ศูนย์ฯ มีกำลังเป็นสองเท่าของระดับที่ออกแบบไว้เดิมแล้ว แต่ยังต้องก่อสร้างเครื่องเร่งอนุภาคเพิ่มเติมเพื่อให้บรรลุเป้าหมายเต็มรูปแบบของระยะที่สอง

ลำโปรตอนกลายเป็นเครื่องมือวิจัยได้อย่างไร

CSNS ผลิตนิวตรอนด้วยการเร่งโปรตอนแล้วพุ่งอนุภาคเหล่านั้นเข้าสู่เป้า การชนกันจะปลดปล่อยนิวตรอนผ่านกระบวนการที่เรียกว่าสปัลเลชัน เครื่องมือต่าง ๆ จะนำทางนิวตรอนไปยังตัวอย่างและวัดการกระเจิงของนิวตรอน

นักวิทยาศาสตร์วิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงของทิศทาง พลังงาน และโมเมนตัมของนิวตรอนที่กระเจิง เพื่อหาว่าอะตอมเรียงตัวและเคลื่อนที่อย่างไร กล่าวอย่างง่ายคือ อนุภาคเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นตัวตรวจสอบโครงสร้างที่เล็กเกินกว่าจะมองเห็นด้วยกล้องจุลทรรศน์ทั่วไป

กำลังลำอนุภาคหมายถึงพลังงานที่ลำโปรตอนส่งมอบในแต่ละวินาที การเพิ่มกำลังช่วยให้แหล่งกำเนิดผลิตนิวตรอนได้มากขึ้น ทำให้นักวิจัยเก็บข้อมูลได้มากขึ้น ประโยชน์ที่การทดลองแต่ละครั้งจะได้รับยังขึ้นอยู่กับเครื่องมือ ตัวอย่าง และวิธีการวัดด้วย

ประโยชน์ที่นักวิจัยจะได้รับ

หวัง เซิ่ง รองผู้อำนวยการสถาบันฟิสิกส์พลังงานสูงและผู้อำนวยการโครงการปรับปรุง อธิบายประโยชน์ที่คาดว่าจะเกิดขึ้นกับงานวิทยาศาสตร์เมื่อเริ่มก่อสร้างระยะที่สองในเดือนมีนาคม 2024

"เมื่อการก่อสร้างระยะที่สองแล้วเสร็จ แหล่งกำเนิดจะผลิตนิวตรอนได้มากขึ้นในเวลาเดียวกัน ซึ่งหมายความว่าจะลดเวลาการทดลองและเพิ่มความละเอียดของผลการทดลองได้ ทำให้สามารถวัดตัวอย่างที่มีขนาดเล็กลงและศึกษากระบวนการพลวัตที่เกิดขึ้นเร็วขึ้นได้" หวังกล่าว

การวัดที่ใช้เวลาสั้นลงช่วยให้มีเวลาใช้เครื่องมือสำหรับโครงการอื่นมากขึ้น ความละเอียดที่ดีขึ้นช่วยให้นักวิจัยแยกรายละเอียดที่อาจซ้อนกลืนกันได้ ส่วนการวัดที่รวดเร็วขึ้นช่วยให้ติดตามการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นภายในวัสดุได้

ปัจจุบันศูนย์ฯ สนับสนุนงานวิจัยเกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน เซลล์แสงอาทิตย์ ชิ้นส่วนอากาศยาน วัสดุแม่เหล็ก ตัวนำยิ่งยวด ฟิล์มบาง และโลหะผสมความแข็งแรงสูง จาง จุนหรง ผู้ดูแลการทดลองและการประยุกต์ใช้งานของผู้ใช้ที่ CSNS กล่าวถึงสาขาเหล่านี้เมื่ออธิบายงานของศูนย์ฯ ในพิธีเปิดโครงการระยะที่สอง

หัวข้อเหล่านี้เชื่อมโยงเครื่องเร่งอนุภาคเข้ากับปัญหาในทางปฏิบัติ การศึกษาแบตเตอรี่ช่วยตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของวัสดุระหว่างการใช้งาน ส่วนการศึกษาโลหะผสมและชิ้นส่วนอากาศยานช่วยให้นักวิจัยเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างภายในกับสมรรถนะ การปรับปรุงยังมุ่งขยายงานด้านวิทยาศาสตร์ชีวภาพ การพัฒนายา และการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาด้วย

หยุดเดินเครื่องช่วงฤดูร้อนเพื่อเปิดทางให้การก่อสร้าง

ทีม CSNS-II ใช้ช่วงหยุดเดินเครื่องประจำปีในฤดูร้อนติดตั้งอุปกรณ์ โดยจำกัดการรบกวนตารางงานวิจัยที่กำหนดไว้ ทำให้ต้องจัดลำดับงานอย่างเข้มข้น ทั้งการก่อสร้าง การทดสอบอุปกรณ์ และการปรับจูนเครื่องเร่งอนุภาคต้องดำเนินการให้สอดคล้องกับการเดินเครื่องของศูนย์วิทยาศาสตร์ที่เปิดใช้งานอยู่แล้ว

ในช่วงหยุดเดินเครื่องล่าสุด คนงานติดตั้งและทดสอบอุปกรณ์บริเวณต้นทางของเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้น ติดตั้งมอดูเลเตอร์โซลิดสเตตทั้งหมด และช่องเร่งอนุภาคแม่เหล็กผสมช่องที่สามในซินโครตรอนแบบหมุนเวียนเร็ว มอดูเลเตอร์ทำหน้าที่จ่ายพัลส์ไฟฟ้าที่ควบคุมได้ ส่วนช่องเร่งอนุภาคช่วยส่งพลังงานที่จำเป็นสำหรับเร่งลำอนุภาค

เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นส่งอนุภาคไปตามแนวตรงก่อนเข้าสู่ซินโครตรอน ซึ่งอนุภาคจะหมุนเวียนและรับพลังงานเพิ่ม อุปกรณ์ในทั้งสองส่วนต้องทำงานประสานกัน เพื่อให้ลำอนุภาคไปถึงเป้าด้วยสภาวะที่ต้องการ

สถาบันฯ ระบุว่า ขณะนี้ติดตั้งอุปกรณ์เครื่องเร่งอนุภาคตามแผน CSNS-II ครบแล้ว ยกเว้นส่วนตัวนำยิ่งยวด ส่วนที่เหลือนี้เป็นส่วนหนึ่งของงานที่จำเป็นต่อการเพิ่มพลังงานลำอนุภาคของเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นเป็น 300 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ หรือ 300 MeV

ควบคุมลำอนุภาคที่หนาแน่นขึ้น

กำลังที่สูงขึ้นทำให้การปรับจูนเครื่องเร่งอนุภาคยากขึ้น การเปลี่ยนค่าตั้งของอุปกรณ์ส่งผลสัมพันธ์กับแรงภายในลำอนุภาคและสภาพแวดล้อมโดยรอบ จนอาจทำให้อนุภาคเป็นกลุ่มเกิดความไม่เสถียร

ความท้าทายประการหนึ่งคือแรงผลักจากประจุอวกาศ ซึ่งเป็นแรงผลักทางไฟฟ้าระหว่างอนุภาคที่มีประจุชนิดเดียวกัน อีกประการหนึ่งคือปฏิสัมพันธ์ระหว่างลำอนุภาคกับโครงสร้างของเครื่องเร่งอนุภาค ซึ่งเรียกว่าผลจากอิมพีแดนซ์ของลำอนุภาค ผลกระทบเหล่านี้อาจรบกวนลำอนุภาคและเพิ่มจำนวนอนุภาคที่สูญหายระหว่างทาง

ทีมเครื่องเร่งอนุภาคปรับส่วนสำคัญของเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นที่ได้รับการปรับปรุง รวมถึงควอดรูโพลคลื่นวิทยุความถี่สูง หรือ RFQ และส่วนลำเลียงลำอนุภาคพลังงานปานกลาง หรือ MEBT ส่วนเหล่านี้ทำหน้าที่เตรียม เร่ง และนำทางลำอนุภาคก่อนเข้าสู่ขั้นถัดไป

สถาบันฯ ระบุว่า การเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญต่อโหมดการเดินเครื่องช่วยแก้ปัญหาความไม่เสถียรของลำอนุภาคจากผลรวมหมู่ได้ อีกทั้งดัชนีความหนาแน่นของลำอนุภาคยังสูงกว่าระดับสูงสุดที่มีรายงานในเครื่องเร่งอนุภาคที่เทียบเคียงกันในระดับนานาชาติ ประกาศดังกล่าวไม่ได้ระบุตัวเลขของดัชนีหรือปริมาณการลดลงของการสูญเสียลำอนุภาค

รายงานการลดการสูญเสียเป็นผลสำคัญของโครงการ นอกเหนือจากการทำกำลังได้ตามเป้าหมาย กล่าวคือทีมงานแสดงให้เห็นแล้วว่าสามารถเดินเครื่องด้วยลำอนุภาคที่มีความท้าทายมากขึ้น พร้อมควบคุมอนุภาคส่วนใหญ่ไว้ได้

เป้าใหม่และเครื่องมือที่ผ่านการบำรุงรักษา

เป้า T8 ตั้งอยู่ตรงตำแหน่งที่โปรตอนซึ่งถูกเร่งแล้วพุ่งชนเพื่อปลดปล่อยนิวตรอน ระบบหล่อเย็นของเป้านี้ออกแบบมาสำหรับการเดินเครื่องที่ 200 kW และมีระบบตรวจวัดอุณหภูมิใหม่สำหรับติดตามสภาวะของแผ่นเป้า

การจัดการความร้อนยิ่งท้าทายเมื่อกำลังลำอนุภาคเพิ่มขึ้น ข้อมูลการวัดจาก T8 จะนำไปใช้ในการออกแบบเป้ากำลังสูงกว่าที่จำเป็นสำหรับ CSNS-II ช่วยให้วิศวกรได้ประสบการณ์จากการเดินเครื่องก่อนที่ศูนย์ฯ จะเพิ่มกำลังสู่ 500 kW

เครื่องมือทั้ง 11 ชิ้นที่เปิดให้ผู้ใช้บริการยังได้รับการบำรุงรักษาในช่วงฤดูร้อนด้วย งานครอบคลุมห้องกระเจิง ชอปเปอร์ เครื่องตรวจจับ และระบบควบคุมสภาวะตัวอย่าง ซึ่งล้วนมีผลต่อวิธีดำเนินการและการวัดผลการทดลอง

ชอปเปอร์ควบคุมส่วนของพัลส์นิวตรอนที่จะผ่านเข้าไปในเครื่องมือ เครื่องตรวจจับบันทึกนิวตรอนที่กระเจิง ส่วนระบบควบคุมสภาวะตัวอย่างช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ศึกษาวัสดุภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด เช่น อุณหภูมิที่แตกต่างกัน การบำรุงรักษาระบบเหล่านี้ช่วยเตรียมส่วนการทดลองของศูนย์ฯ ให้พร้อมใช้ประโยชน์จากแหล่งกำเนิดที่มีกำลังสูงขึ้น

แผน 500 kW จะเพิ่มขีดความสามารถอย่างไร

สถาบันฟิสิกส์พลังงานสูงระบุขนาดของโครงการ CSNS-II ไว้ในประกาศเปิดตัวโครงการ การประชุมเปิดตัวจัดขึ้นที่ตงก่วนเมื่อวันที่ 30 มีนาคม 2024 โดยกำหนดระยะเวลาก่อสร้างไว้ที่ 5 ปี 9 เดือน

แผนอย่างเป็นทางการจะเพิ่มกำลังลำอนุภาคจาก 100 kW เป็น 500 kW และเพิ่มจำนวนสเปกโตรมิเตอร์นิวตรอนจาก 11 เป็น 20 เครื่อง นอกจากนี้ยังระบุให้เพิ่มสถานีทดลองอีกสองแห่ง รวมถึงแห่งหนึ่งสำหรับการทดลองที่ใช้โปรตอนพลังงานสูง แผนการก่อสร้างยังครอบคลุมห้องปฏิบัติการสำหรับผู้ใช้ ตลอดจนเครื่องมือและสถานีทดลองใหม่

การเพิ่มสเปกโตรมิเตอร์จาก 11 เป็น 20 เครื่องตามแผนหมายถึงการเพิ่มขึ้น 9 เครื่อง หรือประมาณ 82 เปอร์เซ็นต์ เป้าหมายด้านกำลังสูงกว่าการออกแบบเดิมที่ 100 kW ถึงห้าเท่า ที่ระดับ 200 kW ศูนย์ฯ ทำงานอยู่ที่ 40 เปอร์เซ็นต์ของกำลังเป้าหมายสุดท้ายตามแผน อย่างไรก็ตาม ความคืบหน้าการก่อสร้างขึ้นอยู่กับปัจจัยมากกว่าตัวชี้วัดเพียงด้านเดียว

รายงานความคืบหน้าล่าสุดระบุว่าโครงการก่อสร้างเสร็จไปแล้วประมาณครึ่งหนึ่ง งานอาคารแล้วเสร็จเมื่อสิ้นเดือนกันยายน และติดตั้งเครื่องทำความเย็นฮีเลียมที่สามารถให้กำลังความเย็นประมาณ 1 kW ที่อุณหภูมิ 2 เคลวินเมื่อวันที่ 15 ตุลาคม อุณหภูมิ 2 เคลวินอยู่ที่ประมาณลบ 271 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ใช้กับระบบเครื่องเร่งอนุภาคตัวนำยิ่งยวด

ลำดับเหตุการณ์ของการปรับปรุง

CSNS เปลี่ยนจากโครงการก่อสร้างเดิมมาเป็นการขยายศูนย์ฯ ควบคู่ไปกับการเปิดให้ผู้ใช้เข้าดำเนินงานวิจัย เหตุการณ์สำคัญเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าหมุดหมายล่าสุดเป็นส่วนหนึ่งของความพยายามที่ดำเนินมาอย่างต่อเนื่อง

• 2011: เริ่มก่อสร้างโครงการ CSNS เดิม ด้วยเงินลงทุน 2.3 พันล้านหยวน
• สิงหาคม 2018: ศูนย์ฯ เริ่มเปิดใช้งาน
• 30 มีนาคม 2024: จัดการประชุมเปิดตัว CSNS-II ที่ตงก่วน โดยกำหนดระยะเวลาก่อสร้างไว้ที่ 5 ปี 9 เดือน
• 25 กันยายน ระหว่างการปรับปรุงล่าสุด: ติดตั้งและทดสอบเป้า T8
• สิ้นเดือนกันยายน: งานอาคารสำหรับระยะที่สองแล้วเสร็จ
• 15 ตุลาคม: ติดตั้งเครื่องทำความเย็นฮีเลียมสำหรับการเดินระบบที่อุณหภูมิ 2 เคลวิน
• 20 ตุลาคม: ศูนย์ฯ ทำกำลังได้ 200 kW หลังปรับจูนลำอนุภาคเกือบหนึ่งเดือน
• 24 ตุลาคม: สถาบันฟิสิกส์พลังงานสูงประกาศการเดินเครื่องที่กำลังสูงขึ้นเพื่อให้ผู้ใช้บริการ

ขั้นต่อไปของเครื่องเร่งอนุภาคตามที่สถาบันฯ ระบุ คือการเพิ่มพลังงานลำอนุภาคของเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นเป็น 300 MeV ประสบการณ์จากการทดสอบเดินระบบครั้งล่าสุดจะเป็นแนวทางสำหรับงานดังกล่าวและการเพิ่มกำลังในขั้นต่อไป

ความต้องการใช้บริการมีมากกว่าขีดความสามารถของเครื่องเร่งอนุภาค

ประกาศเปิดตัวโครงการในปี 2024 ของสถาบันฯ ระบุว่า นับตั้งแต่ CSNS เริ่มดำเนินงานในปี 2018 มีผู้ใช้ลงทะเบียนแล้วกว่า 6,000 ราย และดำเนินโครงการทดลองเสร็จสิ้นแล้วกว่า 1,500 โครงการ ตัวเลขเหล่านี้สะท้อนสถานะของศูนย์ฯ ณ เวลาที่ประกาศเปิดตัวโครงการ

สถาบันฯ ระบุว่ามีโครงการที่ดำเนินการเสร็จแล้วกว่า 100 โครงการ ซึ่งมีผู้ใช้จากฮ่องกง มาเก๊า ไต้หวัน และต่างประเทศ ชุมชนผู้ใช้ครอบคลุมสาขาพลังงาน ฟิสิกส์ วัสดุศาสตร์ และวิศวกรรมศาสตร์ จึงมีความต้องการทั้งด้านการเข้าถึงเครื่องมือและทางเลือกของสภาวะการทดลองที่หลากหลายขึ้น

จาง จุนหรง เจ้าหน้าที่ผู้รับผิดชอบด้านการทดลองและการประยุกต์ใช้งานของผู้ใช้ กล่าวถึงแรงกดดันให้ขยายศูนย์ฯ ในช่วงเปิดตัวโครงการ

"มีความจำเป็นเร่งด่วนที่จะต้องปรับปรุง CSNS เพื่อรองรับความต้องการของผู้ใช้ที่เพิ่มขึ้น" จางกล่าว

ระยะที่สองตอบสนองความต้องการดังกล่าวในสองด้านที่เชื่อมโยงกัน ลำอนุภาคที่มีกำลังสูงขึ้นช่วยให้การวัดบางประเภทใช้เวลาน้อยลง ขณะที่การเพิ่มเครื่องมือทำให้นักวิจัยมีทางเลือกทั้งสถานที่และวิธีการทดลองมากขึ้น สำหรับผู้ใช้ ผลลัพธ์ขึ้นอยู่กับการทำงานร่วมกันของทั้งสองส่วน ได้แก่ แหล่งกำเนิดที่มีกำลังสูงขึ้นและขีดความสามารถในการทดลองที่เพียงพอ เพื่อนำนิวตรอนไปใช้สร้างผลการวิจัย

ประเด็นสำคัญ

• CSNS ทำกำลังได้ 200 kW เมื่อวันที่ 20 ตุลาคม และเริ่มให้ผู้ใช้บริการที่กำลังเป็นสองเท่าของการออกแบบเดิม
• สถาบันฯ ระบุว่าการสูญเสียของลำอนุภาคลดลงเมื่อเพิ่มกำลัง หลังปรับจูนอุปกรณ์และเปลี่ยนโหมดการเดินเครื่อง
• เป้า T8 ใหม่และการบำรุงรักษาเครื่องมือสำหรับผู้ใช้ทั้ง 11 ชิ้น ช่วยรองรับการเดินเครื่องที่กำลังสูงขึ้น
• CSNS-II ตั้งเป้าเพิ่มกำลังเป็น 500 kW และเพิ่มสเปกโตรมิเตอร์นิวตรอนจาก 11 เป็น 20 เครื่อง พร้อมสถานีทดลองเพิ่มเติม
• ยังเหลือการติดตั้งส่วนเครื่องเร่งอนุภาคตัวนำยิ่งยวด โดยขั้นต่อไปมีการเพิ่มพลังงานของเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นเป็น 300 MeV
• การขยายศูนย์ฯ มีเป้าหมายสนับสนุนการวัดที่รวดเร็วขึ้น การใช้ตัวอย่างที่มีขนาดเล็กลง และงานวิจัยที่หลากหลายยิ่งขึ้น