China-Spallationsneutronenquelle nimmt Betrieb mit 200 kW auf und rückt dem Ausbau auf 500 kW näher

Anlage in Dongguan verdoppelt ihre ursprünglich ausgelegte Leistung

Die China-Spallationsneutronenquelle in Dongguan in der Provinz Guangdong versorgt Forschende nun mit einer Strahlleistung von 200 Kilowatt. Das ist doppelt so viel wie ursprünglich geplant. Das Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften teilte am 24. Oktober mit, dass die Anlage diesen Meilenstein am 20. Oktober nach fast einmonatigen Abstimmungsarbeiten am Beschleuniger erreicht habe.

Der Erfolg steigert unmittelbar die Leistungsfähigkeit einer Anlage, deren elf Neutroneninstrumente für Nutzerinnen und Nutzer zugänglich sind. Zugleich werden damit Ausrüstung und Betriebsverfahren erprobt, die für die zweite Bauphase, CSNS-II, benötigt werden. Sie soll die Strahlleistung auf 500 kW erhöhen.

Nach Angaben des Instituts konnten die Beschleunigerfachleute den Strahlverlust verringern und gleichzeitig die Leistung steigern. Dass mehr Teilchen auf ihrer vorgesehenen Bahn bleiben, ist wichtig: Entweichende Teilchen können Energie in umliegenden Anlagenkomponenten abgeben und den zuverlässigen Betrieb erschweren.

Die jüngsten Arbeiten gingen über den Beschleuniger hinaus. Am 25. September wurde ein neues Target mit der Bezeichnung T8 eingebaut und getestet. Seine Kühlung ist auf den Betrieb mit 200 kW ausgelegt. Zudem warteten Instandhaltungsteams die Instrumente, mit denen Forschende Materialien untersuchen.

Für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die Batterien, Legierungen, biologische Materialien und andere Proben untersuchen, liegt der praktische Nutzen darin, dass mehr Neutronen ihre Experimente erreichen. Eine stärkere Quelle kann verwertbare Messdaten schneller liefern und Untersuchungen mit kleineren Proben oder höherer Detailgenauigkeit ermöglichen. Die Anlage erreicht nun die doppelte ursprüngliche Leistung. Für die vollständige Umsetzung der zweiten Bauphase sind jedoch weitere Arbeiten am Beschleuniger nötig.

Wie aus einem Protonenstrahl ein Forschungsinstrument wird

CSNS erzeugt Neutronen, indem Protonen beschleunigt und auf ein Target gelenkt werden. Bei den Zusammenstößen werden durch einen als Spallation bezeichneten Prozess Neutronen freigesetzt. Instrumente lenken diese Neutronen auf Proben und messen, wie sie gestreut werden.

Anhand von Veränderungen der Richtung, Energie und des Impulses der gestreuten Neutronen ermitteln Forschende, wie Atome angeordnet sind und wie sie sich bewegen. Vereinfacht gesagt dienen die Teilchen als Sonden für Strukturen, die mit einem gewöhnlichen Mikroskop nicht sichtbar sind.

Die Strahlleistung beschreibt die Energie, die der Protonenstrahl pro Sekunde abgibt. Eine höhere Leistung ermöglicht es der Quelle, mehr Neutronen zu erzeugen, sodass Forschende mehr Daten sammeln können. Wie groß der Nutzen für ein einzelnes Experiment ist, hängt auch vom jeweiligen Instrument, der Probe und der Messmethode ab.

Welchen Nutzen Forschende erwarten können

Wang Sheng, stellvertretender Direktor des Instituts für Hochenergiephysik und Generaldirektor des Ausbauprojekts, beschrieb die erwarteten wissenschaftlichen Fortschritte, als im März 2024 die zweite Bauphase begann.

„Nach Abschluss der zweiten Bauphase kann die Quelle gleichzeitig mehr Neutronen erzeugen. Dadurch könnten Experimente schneller durchgeführt und ihre Auflösung verbessert werden, sodass kleinere Proben vermessen und schnellere dynamische Prozesse untersucht werden können“, sagte Wang.

Kürzere Messungen können mehr Projekte ermöglichen, die Instrumente nutzen. Eine höhere Auflösung erlaubt es Forschenden, Details zu unterscheiden, die sonst ineinander übergehen würden. Schnellere Messungen helfen ihnen, Veränderungen in einem Material zu verfolgen.

Die Anlage unterstützt bereits Forschungsarbeiten zu Lithium-Ionen-Batterien, Solarzellen, Luft- und Raumfahrtkomponenten, magnetischen Materialien, Supraleitern, Dünnschichten und hochfesten Legierungen. Zhang Junrong, der bei CSNS für Nutzerexperimente und Anwendungen zuständig ist, nannte diese Bereiche bei der Vorstellung der Arbeiten zum Start der zweiten Bauphase.

Diese Themen verbinden den Beschleuniger mit praktischen Fragestellungen. Bei Batterien lassen sich Veränderungen in Materialien während des Betriebs untersuchen. Die Analyse von Legierungen und Komponenten für die Luft- und Raumfahrt kann Forschenden helfen, den Zusammenhang zwischen deren innerer Struktur und ihrer Leistungsfähigkeit zu verstehen. Mit dem Ausbau sollen außerdem Arbeiten in den Lebenswissenschaften, der Arzneimittelentwicklung und der Katalysatorforschung ausgeweitet werden.

Sommerstillstände schaffen Raum für Bauarbeiten

Das CSNS-II-Team nutzt den jährlichen Sommerstillstand, um Anlagen zu installieren und Unterbrechungen des geplanten Forschungsbetriebs möglichst gering zu halten. Das erfordert einen anspruchsvollen Zeitplan: Bauarbeiten, Gerätetests und Abstimmungsarbeiten am Beschleuniger müssen mit dem Betrieb der bestehenden Forschungseinrichtung vereinbart werden.

Während des jüngsten Stillstands installierten und testeten Arbeiter Anlagenkomponenten im vorderen Teil des Linearbeschleunigers, sämtliche Festkörpermodulatoren sowie eine dritte Magnetlegierungskavität im Synchrotron mit schneller Zykluszeit. Die Modulatoren liefern gesteuerte elektrische Impulse, während die Kavität die für die Beschleunigung des Strahls nötige Energie bereitstellt.

Der Linearbeschleuniger führt Teilchen zunächst auf einer geraden Bahn, bevor sie in das Synchrotron gelangen. Dort kreisen sie und gewinnen weitere Energie. Die Komponenten beider Bereiche müssen zusammenarbeiten, damit der Strahl das Target im erforderlichen Zustand erreicht.

Nach Angaben des Instituts sind inzwischen alle für CSNS-II vorgesehenen Beschleunigerkomponenten installiert, mit Ausnahme des supraleitenden Abschnitts. Dieser noch ausstehende Abschnitt ist Teil der Arbeiten, mit denen die Strahlenergie des Linearbeschleunigers auf 300 Millionen Elektronenvolt oder 300 MeV erhöht werden soll.

Einen dichteren Strahl unter Kontrolle halten

Mit der höheren Leistung wurde die Abstimmung des Beschleunigers schwieriger. Veränderungen der Anlageneinstellungen wirkten sich auf die Kräfte im Strahl und auf dessen Umgebung aus. Dadurch konnten Teilchengruppen instabil werden.

Eine Herausforderung war die Raumladung, also die elektrische Abstoßung zwischen Teilchen mit gleicher Ladung. Eine weitere betraf Wechselwirkungen zwischen dem Strahl und den Beschleunigerstrukturen, die als Strahlimpedanzeffekte bezeichnet werden. Zusammen können solche Effekte den Strahl stören und die Zahl der Teilchen erhöhen, die auf ihrer Bahn verloren gehen.

Das Beschleunigerteam passte wichtige Abschnitte des modernisierten Linearbeschleunigers an, darunter den Hochfrequenz-Quadrupol, kurz RFQ, und den Transportabschnitt für mittlere Energien, kurz MEBT. Diese Abschnitte formen, beschleunigen und lenken den Strahl, bevor er in die nächste Stufe eintritt.

Nach Angaben des Instituts konnten kollektive Strahlinstabilitäten durch größere Änderungen der Betriebsweise behoben werden. Außerdem habe der Strahldichteindex den höchsten für vergleichbare Beschleuniger weltweit gemeldeten Wert überschritten. In der Mitteilung wurden weder ein Zahlenwert für diesen Index noch das Ausmaß des Rückgangs der Strahlverluste genannt.

Der gemeldete Rückgang der Verluste ist über das Erreichen eines bestimmten Leistungswerts hinaus ein wichtiger Erfolg für das Projekt: Das Team hat gezeigt, wie sich ein anspruchsvollerer Strahl betreiben lässt, während mehr seiner Teilchen unter Kontrolle bleiben.

Neues Target und gewartete Instrumente

Das T8-Target befindet sich an der Stelle, an der die beschleunigten Protonen aufschlagen und Neutronen freisetzen. Seine Kühlung ist für den Betrieb mit 200 kW ausgelegt. Neue Temperaturmesssysteme überwachen die Bedingungen in den Targetplatten.

Mit steigender Strahlleistung wird die Wärmeabfuhr anspruchsvoller. Die Messdaten des T8 fließen in die Konstruktion des leistungsstärkeren Targets ein, das für CSNS-II benötigt wird. So sammeln Ingenieure Betriebserfahrung, bevor die Anlage auf 500 kW hochgefahren wird.

Auch die elf für Nutzerinnen und Nutzer zugänglichen Instrumente wurden während des Sommerstillstands gewartet. Die Arbeiten umfassten Streukammern, Chopper, Detektoren und Probenumgebungen. All diese Komponenten beeinflussen, wie ein Experiment durchgeführt und ausgewertet wird.

Chopper steuern, welche Teile eines Neutronenpulses ein Instrument passieren. Detektoren erfassen die gestreuten Neutronen. Probenumgebungen ermöglichen es Wissenschaftlern, Materialien unter ausgewählten Bedingungen, etwa bei unterschiedlichen Temperaturen, zu untersuchen. Die Wartung dieser Systeme bereitet den Experimentierbereich der Anlage darauf vor, die stärkere Quelle zu nutzen.

Wie der Plan für 500 kW die Kapazität erweitert

Das Institut für Hochenergiephysik erläuterte den Umfang von CSNS-II in seiner Mitteilung zum Projektstart. Die Auftaktveranstaltung fand am 30. März 2024 in Dongguan statt. Die vorgesehene Bauzeit beträgt fünf Jahre und neun Monate.

Der offizielle Plan sieht vor, die Strahlleistung von 100 kW auf 500 kW zu erhöhen und die Zahl der Neutronenspektrometer von elf auf 20 auszubauen. Außerdem sind zwei zusätzliche Versuchsstationen vorgesehen, darunter eine für Experimente mit hochenergetischen Protonen. Das Bauprogramm umfasst neben neuen Instrumenten und Versuchsstationen auch Nutzerlabore.

Der geplante Ausbau von elf auf 20 Spektrometer bedeutet neun zusätzliche Instrumente, ein Zuwachs von etwa 82 Prozent. Die angestrebte Leistung ist fünfmal so hoch wie die ursprüngliche Auslegung von 100 kW. Mit 200 kW arbeitet die Anlage bei 40 Prozent der geplanten Endleistung. Der Baufortschritt lässt sich jedoch nicht allein an diesem Wert messen.

Dem jüngsten Bericht zufolge ist das Projekt etwa zur Hälfte fertiggestellt. Die Bauarbeiten wurden Ende September abgeschlossen. Am 15. Oktober wurde ein Heliumkühlsystem installiert, das bei 2 Kelvin rund 1 kW Kühlleistung erbringen kann. 2 Kelvin entsprechen etwa minus 271 Grad Celsius. Diese Temperatur wird für supraleitende Beschleunigersysteme benötigt.

Die wichtigsten Daten des Ausbaus

CSNS ist vom ursprünglichen Bauprogramm zu einem Ausbau übergegangen, der parallel zum Nutzerbetrieb stattfindet. Die wichtigsten Daten zeigen, wie sich der jüngste Meilenstein in diese längerfristigen Arbeiten einfügt.

• 2011: Der Bau des ursprünglichen CSNS-Projekts begann. Die Investitionssumme betrug 2,3 Milliarden Yuan.
• August 2018: Die Anlage nahm den Betrieb auf.
• 30. März 2024: In Dongguan fand die Auftaktveranstaltung für CSNS-II statt. Die vorgesehene Bauzeit beträgt fünf Jahre und neun Monate.
• 25. September, während der jüngsten Ausbauarbeiten: Das T8-Target wurde installiert und getestet.
• Ende September: Die Bauarbeiten für die zweite Phase wurden abgeschlossen.
• 15. Oktober: Das Heliumkühlsystem für den Betrieb bei 2 Kelvin wurde installiert.
• 20. Oktober: Nach fast einmonatigen Abstimmungsarbeiten am Strahl erreichte die Anlage den Meilenstein von 200 kW.
• 24. Oktober: Das Institut für Hochenergiephysik gab den Nutzerbetrieb mit der höheren Leistung bekannt.

Der nächste vom Institut genannte Schritt ist, die Strahlenergie des Linearbeschleunigers auf 300 MeV zu erhöhen. Die Erfahrungen aus der jüngsten Inbetriebnahme werden in diese Arbeiten und die anschließende Leistungssteigerung einfließen.

Der Bedarf reicht über den Beschleuniger hinaus

In seiner Mitteilung zum Projektstart 2024 nannte das Institut mehr als 6.000 registrierte Nutzerinnen und Nutzer sowie mehr als 1.500 abgeschlossene Versuchsprojekte seit der Inbetriebnahme von CSNS im Jahr 2018. Diese Zahlen beschreiben den Stand zum Zeitpunkt der Mitteilung.

Nach Angaben des Instituts waren an mehr als 100 abgeschlossenen Projekten Nutzerinnen und Nutzer aus Hongkong, Macao, Taiwan und dem Ausland beteiligt. Die Nutzergemeinschaft umfasst die Bereiche Energie, Physik, Materialwissenschaft und Ingenieurwesen. Daraus entsteht ein Bedarf sowohl an Zugang zu den Instrumenten als auch an einer größeren Auswahl an Versuchsbedingungen.

Zhang Junrong, der für Nutzerexperimente und Anwendungen zuständige Vertreter, beschrieb beim Auftakt den Druck, die Anlage auszubauen.

„CSNS muss dringend ausgebaut werden, um der steigenden Nachfrage der Nutzerinnen und Nutzer gerecht zu werden“, sagte Zhang.

Die zweite Bauphase begegnet diesem Bedarf auf zwei miteinander verbundenen Wegen. Leistungsstärkere Strahlen können manche Messungen beschleunigen, während zusätzliche Instrumente Forschenden mehr Möglichkeiten und Methoden für Experimente bieten. Für die Nutzerinnen und Nutzer hängt das Ergebnis davon ab, dass beides zusammenwirkt: eine stärkere Quelle und ausreichende Versuchskapazitäten, um aus den Neutronen Forschungsergebnisse zu gewinnen.

Die wichtigsten Punkte

• CSNS erreichte am 20. Oktober 200 kW und nahm den Nutzerbetrieb mit der doppelten ursprünglich ausgelegten Leistung auf.
• Nach Angaben des Instituts gingen die Strahlverluste infolge von Geräteabstimmungen und Änderungen der Betriebsweise trotz der höheren Leistung zurück.
• Ein neues T8-Target und die Wartung aller elf Nutzerinstrumente unterstützen den Betrieb mit höherer Leistung.
• CSNS-II soll die Leistung auf 500 kW steigern und die Zahl der Neutronenspektrometer von elf auf 20 erhöhen. Zudem sind zusätzliche Versuchsstationen geplant.
• Der supraleitende Beschleunigerabschnitt muss noch installiert werden. Zu den nächsten Schritten zählt eine Erhöhung der Linearbeschleunigerenergie auf 300 MeV.
• Der Ausbau soll schnellere Messungen, kleinere Proben und ein breiteres Forschungsspektrum ermöglichen.