Nguồn neutron tán xạ Trung Quốc vận hành ở mức 200 kW, nâng cấp hướng tới 500 kW

Cơ sở tại Đông Quan tăng gấp đôi công suất thiết kế ban đầu

Nguồn neutron tán xạ Trung Quốc ở Đông Quan, tỉnh Quảng Đông, đã bắt đầu phục vụ các nhà nghiên cứu với công suất chùm tia 200 kilowatt, gấp đôi mức quy định trong thiết kế ban đầu. Ngày 24 tháng 10, Viện Vật lý Năng lượng cao thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc thông báo cơ sở đạt cột mốc này vào ngày 20 tháng 10, sau gần một tháng hiệu chỉnh máy gia tốc.

Thành tựu này giúp nâng cao ngay năng lực tại cơ sở có 11 thiết bị neutron đang mở cửa phục vụ người dùng. Đây cũng là phép thử đối với thiết bị và phương thức vận hành cần thiết cho giai đoạn xây dựng thứ hai, gọi là CSNS-II, với mục tiêu nâng công suất chùm tia lên 500 kW.

Viện cho biết các chuyên gia máy gia tốc đã giảm thất thoát chùm tia ngay cả khi tăng công suất. Việc giữ nhiều hạt hơn trên quỹ đạo dự kiến rất quan trọng, bởi các hạt lệch khỏi chùm tia có thể truyền năng lượng sang thiết bị xung quanh và gây khó khăn cho hoạt động ổn định.

Công việc mới nhất không chỉ giới hạn ở máy gia tốc. Một bia mới, mang ký hiệu T8, được lắp đặt và thử nghiệm ngày 25 tháng 9, với hệ thống làm mát được thiết kế để vận hành ở mức 200 kW. Các đội bảo trì cũng bảo dưỡng những thiết bị mà nhà nghiên cứu sử dụng để khảo sát vật liệu.

Với các nhà khoa học nghiên cứu pin, hợp kim, vật liệu sinh học và những mẫu khác, giá trị thực tế nằm ở lượng neutron tới được thí nghiệm của họ. Nguồn neutron mạnh hơn có thể thu thập các phép đo hữu ích nhanh hơn và hỗ trợ những nghiên cứu cần mẫu nhỏ hơn hoặc độ chi tiết cao hơn. Cơ sở hiện đạt công suất gấp đôi thiết kế ban đầu, trong khi vẫn cần tiếp tục xây dựng máy gia tốc để đạt mục tiêu đầy đủ của giai đoạn hai.

Chùm proton trở thành công cụ nghiên cứu như thế nào

CSNS tạo neutron bằng cách gia tốc proton rồi hướng chúng vào một bia. Các va chạm giải phóng neutron thông qua quá trình gọi là tán xạ phá vỡ hạt nhân. Các thiết bị dẫn neutron tới mẫu và đo cách chúng tán xạ.

Các nhà khoa học nghiên cứu những thay đổi về hướng, năng lượng và động lượng của neutron tán xạ để xác định cách các nguyên tử sắp xếp và chuyển động. Nói đơn giản, các hạt này đóng vai trò như đầu dò cấu trúc quá nhỏ để có thể quan sát bằng kính hiển vi thông thường.

Công suất chùm tia biểu thị năng lượng mà chùm proton truyền đi mỗi giây. Tăng công suất giúp nguồn tạo ra nhiều neutron hơn, cung cấp thêm dữ liệu cho các nhà nghiên cứu thu thập. Lợi ích đối với từng thí nghiệm còn phụ thuộc vào thiết bị, mẫu và phương pháp đo.

Lợi ích đối với các nhà nghiên cứu

Ông Wang Sheng, Phó giám đốc Viện Vật lý Năng lượng cao kiêm Tổng giám đốc dự án nâng cấp, đã mô tả những lợi ích khoa học dự kiến khi giai đoạn hai bắt đầu được xây dựng vào tháng 3 năm 2024.

"Sau khi hoàn thành giai đoạn II, nguồn có thể tạo ra nhiều neutron hơn cùng lúc, nghĩa là thời gian thí nghiệm có thể được rút ngắn và độ phân giải được cải thiện, cho phép đo các mẫu nhỏ hơn cũng như nghiên cứu những quá trình động diễn ra nhanh hơn", ông Wang cho biết.

Thời gian đo ngắn hơn có thể dành thêm thời lượng thiết bị cho nhiều dự án hơn. Độ phân giải tốt hơn giúp nhà nghiên cứu phân biệt những chi tiết vốn sẽ hòa lẫn vào nhau, trong khi phép đo nhanh hơn giúp họ theo dõi các biến đổi bên trong vật liệu.

Cơ sở hiện hỗ trợ nghiên cứu pin lithium-ion, pin mặt trời, linh kiện hàng không vũ trụ, vật liệu từ tính, chất siêu dẫn, màng mỏng và hợp kim cường độ cao. Ông Zhang Junrong, người phụ trách thí nghiệm và ứng dụng cho người dùng tại CSNS, đã nêu các lĩnh vực này khi giới thiệu hoạt động của cơ sở tại lễ khởi động giai đoạn hai.

Những lĩnh vực đó gắn máy gia tốc với các vấn đề thực tiễn. Nghiên cứu pin có thể khảo sát những thay đổi của vật liệu trong quá trình sử dụng, còn nghiên cứu hợp kim và linh kiện hàng không vũ trụ giúp tìm hiểu mối liên hệ giữa cấu trúc bên trong với hiệu năng. Dự án nâng cấp cũng hướng tới mở rộng nghiên cứu trong khoa học sự sống, phát triển thuốc và thiết kế chất xúc tác.

Đợt ngừng hoạt động mùa hè tạo điều kiện xây dựng

Đội ngũ CSNS-II tận dụng đợt ngừng hoạt động thường niên vào mùa hè để lắp đặt thiết bị, đồng thời hạn chế gián đoạn các nghiên cứu đã lên lịch. Việc này tạo nên một chuỗi công việc đòi hỏi khắt khe: xây dựng, thử nghiệm thiết bị và hiệu chỉnh máy gia tốc phải được bố trí phù hợp với hoạt động của một cơ sở khoa học hiện hữu.

Trong đợt ngừng hoạt động gần nhất, công nhân đã lắp đặt và thử nghiệm thiết bị ở phần đầu máy gia tốc tuyến tính, toàn bộ các bộ điều biến bán dẫn công suất và một hốc hợp kim từ thứ ba trong synchrotron chu kỳ nhanh. Các bộ điều biến cung cấp xung điện có kiểm soát, còn hốc gia tốc giúp cung cấp năng lượng cần thiết để gia tốc chùm tia.

Máy gia tốc tuyến tính đưa các hạt di chuyển theo đường thẳng trước khi chúng đi vào synchrotron, nơi chúng tuần hoàn và tiếp tục nhận năng lượng. Thiết bị ở cả hai phần phải phối hợp hoạt động để chùm tia tới bia trong trạng thái cần thiết.

Theo viện, toàn bộ thiết bị máy gia tốc được lên kế hoạch cho CSNS-II đã được lắp đặt, ngoại trừ phần siêu dẫn. Đây là hạng mục còn lại trong công việc nhằm tăng năng lượng chùm tia của máy gia tốc tuyến tính lên 300 triệu electronvolt, hay 300 MeV.

Kiểm soát chùm tia đậm đặc hơn

Công suất cao hơn khiến việc hiệu chỉnh máy gia tốc khó khăn hơn. Những thay đổi trong cài đặt thiết bị tương tác với các lực bên trong chùm tia và môi trường xung quanh, tạo ra điều kiện có thể khiến các nhóm hạt trở nên bất ổn.

Một thách thức là điện tích không gian, tức lực đẩy điện giữa các hạt mang cùng điện tích. Thách thức khác là tương tác giữa chùm tia với cấu trúc máy gia tốc, được gọi là hiệu ứng trở kháng chùm tia. Kết hợp lại, các hiệu ứng này có thể làm xáo trộn chùm tia và tăng số hạt thất thoát trên đường đi.

Đội ngũ máy gia tốc đã điều chỉnh các phân đoạn quan trọng của máy gia tốc tuyến tính được nâng cấp, gồm bộ tứ cực tần số vô tuyến, hay RFQ, và đoạn truyền chùm tia năng lượng trung bình, hay MEBT. Những phân đoạn này chuẩn bị, gia tốc và dẫn hướng chùm tia trước giai đoạn tiếp theo.

Viện cho biết những thay đổi lớn trong chế độ vận hành đã xử lý được tình trạng bất ổn tập thể của chùm tia. Viện cũng cho biết chỉ số mật độ chùm tia vượt mức cao nhất được báo cáo ở các máy gia tốc tương đương trên thế giới. Thông báo không nêu giá trị cụ thể của chỉ số này hay mức giảm thất thoát chùm tia.

Mức thất thoát giảm được báo cáo là một kết quả hữu ích của dự án, ngoài việc đạt được mức công suất đề ra: đội ngũ đã chứng minh cách vận hành chùm tia đòi hỏi kỹ thuật cao hơn, đồng thời kiểm soát được nhiều hạt hơn.

Bia mới và thiết bị được bảo dưỡng

Bia T8 nằm ở vị trí proton đã được gia tốc va vào để giải phóng neutron. Hệ thống làm mát được thiết kế để vận hành ở mức 200 kW, còn hệ thống giám sát nhiệt độ mới theo dõi điều kiện tại các tấm bia.

Việc quản lý nhiệt trở nên khó khăn hơn khi công suất chùm tia tăng. Các phép đo từ T8 sẽ góp phần định hình thiết kế bia công suất cao hơn cần thiết cho CSNS-II, giúp các kỹ sư tích lũy kinh nghiệm vận hành trước khi cơ sở tiến tới mức 500 kW.

11 thiết bị mở cửa phục vụ người dùng cũng được bảo trì trong mùa hè. Công việc bao gồm buồng tán xạ, bộ ngắt chùm, đầu dò và môi trường mẫu, tất cả đều ảnh hưởng đến cách tiến hành và đo đạc thí nghiệm.

Bộ ngắt chùm kiểm soát phần nào của xung neutron đi qua thiết bị. Đầu dò ghi nhận neutron tán xạ, còn môi trường mẫu cho phép các nhà khoa học nghiên cứu vật liệu trong những điều kiện được chọn, chẳng hạn như nhiệt độ khác nhau. Bảo dưỡng các hệ thống này giúp phần thiết bị thí nghiệm của cơ sở sẵn sàng khai thác nguồn mạnh hơn.

Kế hoạch 500 kW mở rộng năng lực ra sao

Viện Vật lý Năng lượng cao đã nêu quy mô CSNS-II trong thông báo khởi động dự án. Cuộc họp khởi động diễn ra tại Đông Quan ngày 30 tháng 3 năm 2024, với thời gian xây dựng dự kiến là năm năm chín tháng.

Kế hoạch chính thức nâng công suất chùm tia từ 100 kW lên 500 kW và tăng số máy phổ neutron từ 11 lên 20. Kế hoạch cũng liệt kê hai trạm thí nghiệm bổ sung, trong đó có một trạm dành cho các thí nghiệm sử dụng proton năng lượng cao. Chương trình xây dựng bao gồm các phòng thí nghiệm phục vụ người dùng cùng các thiết bị và trạm mới.

Kế hoạch tăng số máy phổ từ 11 lên 20 bổ sung chín thiết bị, tương đương mức tăng khoảng 82%. Mục tiêu công suất cao gấp năm lần thiết kế ban đầu 100 kW. Ở mức 200 kW, cơ sở đang vận hành ở 40% công suất cuối cùng theo kế hoạch, dù tiến độ xây dựng phụ thuộc vào nhiều yếu tố hơn một chỉ số đơn lẻ này.

Cập nhật mới nhất cho biết dự án đã hoàn thành khoảng một nửa quá trình xây dựng. Công trình xây dựng hoàn tất vào cuối tháng 9, còn máy lạnh heli có khả năng làm mát khoảng 1 kW ở nhiệt độ 2 kelvin được lắp đặt ngày 15 tháng 10. Hai kelvin tương đương khoảng âm 271 độ C, mức nhiệt được sử dụng trong các hệ thống máy gia tốc siêu dẫn.

Các mốc thời gian của dự án nâng cấp

CSNS đã chuyển từ chương trình xây dựng ban đầu sang giai đoạn mở rộng song song với hoạt động phục vụ người dùng. Những mốc chính cho thấy cột mốc mới nhất nằm trong nỗ lực dài hạn này như thế nào.

• 2011: Bắt đầu xây dựng dự án CSNS ban đầu, với vốn đầu tư 2,3 tỷ nhân dân tệ.
• Tháng 8 năm 2018: Cơ sở bắt đầu đi vào hoạt động.
• Ngày 30 tháng 3 năm 2024: Cuộc họp khởi động CSNS-II được tổ chức tại Đông Quan, với thời gian xây dựng dự kiến là năm năm chín tháng.
• Ngày 25 tháng 9, trong đợt nâng cấp gần nhất: Bia T8 được lắp đặt và thử nghiệm.
• Cuối tháng 9: Công trình xây dựng giai đoạn hai hoàn tất.
• Ngày 15 tháng 10: Máy lạnh heli vận hành ở 2 kelvin được lắp đặt.
• Ngày 20 tháng 10: Cơ sở đạt mốc 200 kW sau gần một tháng hiệu chỉnh chùm tia.
• Ngày 24 tháng 10: Viện Vật lý Năng lượng cao thông báo cơ sở bắt đầu phục vụ người dùng ở mức công suất cao hơn.

Bước tiếp theo của máy gia tốc mà viện xác định là nâng năng lượng chùm tia của máy gia tốc tuyến tính lên 300 MeV. Kinh nghiệm từ quá trình đưa hệ thống vào vận hành gần đây sẽ định hướng công việc đó và đợt tăng công suất tiếp theo.

Nhu cầu vượt ra ngoài máy gia tốc

Thông báo khởi động năm 2024 của viện ghi nhận hơn 6.000 người dùng đã đăng ký và hơn 1.500 dự án thí nghiệm hoàn thành kể từ khi CSNS đi vào hoạt động năm 2018. Những con số này phản ánh tình hình của cơ sở vào thời điểm ra thông báo khởi động.

Theo viện, hơn 100 dự án đã hoàn thành có sự tham gia của người dùng đến từ Hồng Kông, Ma Cao, Đài Loan và nước ngoài. Cộng đồng người dùng hoạt động trong các lĩnh vực năng lượng, vật lý, vật liệu và kỹ thuật, tạo ra nhu cầu tiếp cận thiết bị cũng như lựa chọn đa dạng hơn về điều kiện thí nghiệm.

Ông Zhang Junrong, quan chức phụ trách thí nghiệm và ứng dụng cho người dùng, đã mô tả áp lực mở rộng tại lễ khởi động.

"Cần khẩn trương nâng cấp CSNS để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng", ông Zhang nói.

Giai đoạn hai đáp ứng nhu cầu đó theo hai hướng gắn liền với nhau. Chùm tia mạnh hơn có thể giúp thực hiện một số phép đo nhanh hơn, trong khi các thiết bị bổ sung đem đến cho nhà nghiên cứu thêm địa điểm và phương pháp tiến hành thí nghiệm. Đối với người dùng, kết quả phụ thuộc vào sự phối hợp của cả hai yếu tố: nguồn neutron mạnh hơn và đủ năng lực thí nghiệm để chuyển neutron thành kết quả nghiên cứu.

Điểm chính

• CSNS đạt mức 200 kW ngày 20 tháng 10 và bắt đầu phục vụ người dùng ở công suất gấp đôi thiết kế ban đầu.
• Viện cho biết thất thoát chùm tia giảm khi công suất tăng, nhờ hiệu chỉnh thiết bị và thay đổi chế độ vận hành.
• Bia T8 mới và công tác bảo trì cả 11 thiết bị phục vụ người dùng hỗ trợ vận hành ở mức công suất cao hơn.
• CSNS-II đặt mục tiêu đạt 500 kW và tăng số máy phổ neutron từ 11 lên 20, đồng thời bổ sung các trạm thí nghiệm.
• Phần máy gia tốc siêu dẫn vẫn chưa được lắp đặt; một trong những bước tiếp theo là nâng năng lượng máy gia tốc tuyến tính lên 300 MeV.
• Dự án mở rộng hướng tới hỗ trợ phép đo nhanh hơn, mẫu nhỏ hơn và phạm vi nghiên cứu rộng hơn.