Sumber Neutron Spalasi China Mulai Beroperasi pada 200 kW, Peningkatan Menuju 500 kW Berlanjut

Fasilitas di Dongguan melampaui dua kali lipat daya desain awal

China Spallation Neutron Source di Dongguan, Provinsi Guangdong, mulai melayani para peneliti dengan daya berkas 200 kilowatt, dua kali lipat dari yang ditetapkan dalam desain awal. Institute of High Energy Physics di bawah Chinese Academy of Sciences mengumumkan pada 24 Oktober bahwa fasilitas tersebut mencapai tonggak itu pada 20 Oktober, setelah hampir sebulan penyetelan akselerator.

Pencapaian ini langsung meningkatkan kemampuan fasilitas yang memiliki 11 instrumen neutron dan terbuka bagi para pengguna. Hal ini juga menguji peralatan dan metode operasi yang dibutuhkan untuk tahap kedua pembangunan, yang dikenal sebagai CSNS-II, dengan target meningkatkan daya berkas menjadi 500 kW.

Institut tersebut menyatakan para spesialis akselerator berhasil mengurangi kehilangan berkas meski daya ditingkatkan. Menjaga lebih banyak partikel tetap pada lintasan yang dituju penting karena partikel yang keluar dari berkas dapat menyalurkan energi ke peralatan di sekitarnya dan mempersulit pengoperasian yang andal.

Pekerjaan terbaru ini tidak hanya mencakup akselerator. Target baru bernama T8 dipasang dan diuji pada 25 September, dengan sistem pendingin yang dirancang untuk beroperasi pada 200 kW. Tim pemeliharaan juga menyervis instrumen yang digunakan peneliti untuk mengkaji material.

Bagi ilmuwan yang meneliti baterai, paduan, material biologis, dan sampel lainnya, manfaat praktisnya terletak pada neutron yang mencapai eksperimen mereka. Sumber yang lebih kuat dapat mempercepat pengumpulan hasil pengukuran yang berguna serta mendukung penelitian yang membutuhkan sampel lebih kecil atau detail yang lebih halus. Fasilitas ini kini telah mencapai dua kali daya desain awalnya, sementara pembangunan akselerator lebih lanjut masih diperlukan untuk memenuhi target penuh tahap kedua.

Bagaimana berkas proton menjadi alat penelitian

CSNS menghasilkan neutron dengan mempercepat proton lalu mengarahkannya ke sebuah target. Tumbukan itu melepaskan neutron melalui proses yang disebut spalasi. Instrumen mengarahkan neutron tersebut menuju sampel dan mengukur cara neutron itu dihamburkan.

Ilmuwan mengkaji perubahan arah, energi, dan momentum neutron yang terhambur untuk mengetahui susunan atom dan cara atom bergerak. Sederhananya, partikel-partikel tersebut berfungsi sebagai alat untuk menyelidiki struktur yang terlalu kecil untuk dilihat dengan mikroskop biasa.

Daya berkas menunjukkan energi yang disalurkan oleh berkas proton setiap detik. Peningkatan daya memungkinkan sumber menghasilkan lebih banyak neutron sehingga peneliti dapat mengumpulkan lebih banyak informasi. Manfaat bagi tiap eksperimen juga bergantung pada instrumen, sampel, dan metode pengukurannya.

Manfaat yang dapat diperoleh para peneliti

Wang Sheng, wakil direktur Institute of High Energy Physics sekaligus direktur umum proyek peningkatan, menjelaskan manfaat ilmiah yang diharapkan saat pembangunan tahap kedua dimulai pada Maret 2024.

"Setelah tahap II rampung, sumber ini dapat menghasilkan lebih banyak neutron secara bersamaan. Artinya, waktu eksperimen dapat dipersingkat dan resolusinya ditingkatkan sehingga pengukuran sampel yang lebih kecil dan kajian proses dinamis yang lebih cepat dapat dilakukan," kata Wang.

Pengukuran yang lebih singkat dapat menyediakan waktu penggunaan instrumen untuk lebih banyak proyek. Resolusi yang lebih baik membantu peneliti membedakan detail yang sebelumnya tampak menyatu, sementara pengukuran yang lebih cepat membantu mereka mengikuti perubahan yang terjadi di dalam suatu material.

Fasilitas ini telah mendukung penelitian baterai litium-ion, sel surya, komponen kedirgantaraan, material magnetik, superkonduktor, film tipis, dan paduan berkekuatan tinggi. Zhang Junrong, yang mengawasi eksperimen dan penerapan untuk pengguna di CSNS, menyebut bidang-bidang tersebut saat menjelaskan kegiatan fasilitas itu dalam peluncuran tahap kedua.

Topik-topik tersebut menghubungkan akselerator dengan persoalan praktis. Penelitian baterai dapat mengkaji perubahan material selama penggunaan, sementara kajian paduan dan komponen kedirgantaraan dapat membantu peneliti memahami kaitan antara struktur internal dan kinerjanya. Peningkatan ini juga ditujukan untuk memperluas penelitian di bidang ilmu hayati, pengembangan obat, dan desain katalis.

Penghentian operasi pada musim panas memberi ruang untuk pembangunan

Tim CSNS-II memanfaatkan penghentian operasi tahunan pada musim panas untuk memasang peralatan sambil meminimalkan gangguan terhadap jadwal penelitian. Hal ini menuntut rangkaian kerja yang padat: pembangunan, pengujian peralatan, dan penyetelan akselerator harus dilakukan dengan mempertimbangkan operasi fasilitas ilmiah yang sudah berjalan.

Selama penghentian operasi terbaru, pekerja memasang dan menguji peralatan di bagian depan akselerator linear, seluruh modulator solid-state, serta rongga paduan magnetik ketiga di sinkrotron siklus cepat. Modulator menghasilkan pulsa listrik yang terkontrol, sedangkan rongga membantu menyediakan energi yang dibutuhkan untuk mempercepat berkas.

Akselerator linear mengirimkan partikel melalui lintasan lurus sebelum partikel memasuki sinkrotron, tempat partikel beredar dan memperoleh energi tambahan. Peralatan di kedua bagian harus bekerja bersama agar berkas mencapai target dalam kondisi yang diperlukan.

Menurut institut tersebut, seluruh peralatan akselerator yang direncanakan untuk CSNS-II kini telah terpasang, kecuali bagian superkonduktor. Bagian yang tersisa itu merupakan bagian dari pekerjaan untuk meningkatkan energi berkas akselerator linear menjadi 300 juta elektronvolt, atau 300 MeV.

Mengendalikan berkas yang lebih rapat

Daya yang lebih tinggi membuat penyetelan akselerator menjadi lebih sulit. Perubahan pengaturan peralatan berinteraksi dengan gaya di dalam berkas dan lingkungan sekitarnya, sehingga dapat menciptakan kondisi yang membuat kelompok partikel tidak stabil.

Salah satu tantangannya adalah muatan ruang, yaitu gaya tolak-menolak listrik di antara partikel bermuatan sama. Tantangan lainnya adalah interaksi antara berkas dan struktur akselerator, yang disebut efek impedansi berkas. Secara bersamaan, efek-efek tersebut dapat mengganggu berkas dan meningkatkan jumlah partikel yang hilang di sepanjang lintasannya.

Tim akselerator menyesuaikan bagian-bagian penting pada akselerator linear yang ditingkatkan, termasuk quadrupole frekuensi radio (RFQ) dan bagian transportasi berkas energi menengah (MEBT). Bagian-bagian ini menyiapkan, mempercepat, dan mengarahkan berkas sebelum memasuki tahap berikutnya.

Institut tersebut menyatakan perubahan besar pada mode operasi berhasil mengatasi ketidakstabilan berkas kolektif. Institut itu juga mengatakan indeks kerapatan berkas melampaui tingkat tertinggi yang dilaporkan untuk akselerator sejenis di dunia. Pengumuman tersebut tidak menyebutkan nilai numerik indeks itu ataupun besarnya penurunan kehilangan berkas.

Penurunan kehilangan berkas yang dilaporkan memberi proyek ini hasil penting di luar pencapaian angka daya: tim telah menunjukkan cara mengoperasikan berkas yang lebih menantang sekaligus menjaga lebih banyak partikelnya tetap terkendali.

Target baru dan instrumen yang diservis

Target T8 berada di titik tumbukan proton yang dipercepat untuk melepaskan neutron. Sistem pendinginnya dirancang agar dapat beroperasi pada 200 kW, dan pemantauan suhu baru melacak kondisi pada pelat target.

Pengelolaan panas menjadi lebih menantang seiring peningkatan daya berkas. Hasil pengukuran dari T8 akan menjadi masukan bagi desain target yang lebih kuat untuk CSNS-II, sehingga para insinyur dapat memperoleh pengalaman operasional sebelum fasilitas itu bergerak menuju 500 kW.

Sebelas instrumen yang terbuka bagi pengguna juga menjalani pemeliharaan musim panas. Pekerjaan meliputi ruang hamburan, pemotong berkas, detektor, dan lingkungan sampel, yang semuanya memengaruhi cara eksperimen dilakukan dan diukur.

Pemotong berkas mengatur bagian mana dari pulsa neutron yang dapat melewati instrumen. Detektor merekam neutron yang terhambur, sementara lingkungan sampel memungkinkan ilmuwan mengkaji material dalam kondisi tertentu, seperti suhu yang berbeda. Penyervisan sistem-sistem ini mempersiapkan bagian eksperimen fasilitas untuk memanfaatkan sumber yang lebih kuat.

Bagaimana rencana 500 kW meningkatkan kapasitas

Institute of High Energy Physics memaparkan skala CSNS-II dalam pengumuman peluncuran proyek. Rapat peluncuran berlangsung di Dongguan pada 30 Maret 2024, dengan masa pembangunan yang ditetapkan selama lima tahun sembilan bulan.

Rencana resmi itu meningkatkan daya berkas dari 100 kW menjadi 500 kW dan menambah jumlah spektrometer neutron dari 11 menjadi 20. Rencana tersebut juga mencantumkan dua stasiun eksperimen tambahan, termasuk satu untuk eksperimen yang menggunakan proton berenergi tinggi. Program pembangunan mencakup laboratorium pengguna serta instrumen dan stasiun baru.

Penambahan spektrometer dari 11 menjadi 20 berarti ada sembilan instrumen baru, atau peningkatan sekitar 82 persen. Target daya tersebut lima kali lipat dari desain awal 100 kW. Pada 200 kW, fasilitas ini beroperasi pada 40 persen dari target daya akhir, meskipun kemajuan pembangunan bergantung pada lebih banyak faktor daripada satu ukuran itu saja.

Pembaruan terbaru menyebut proyek ini telah mencapai sekitar separuh masa pembangunan. Pekerjaan konstruksi selesai pada akhir September, dan sebuah lemari es helium dengan kapasitas pendinginan sekitar 1 kW pada suhu 2 kelvin dipasang pada 15 Oktober. Suhu 2 kelvin setara dengan sekitar minus 271 derajat Celsius, yang digunakan untuk sistem akselerator superkonduktor.

Tanggal-tanggal penting peningkatan

CSNS telah beralih dari program pembangunan awal ke tahap perluasan yang berlangsung bersamaan dengan operasi bagi pengguna. Tanggal-tanggal utama berikut menunjukkan posisi tonggak terbaru dalam upaya yang lebih panjang tersebut.

• 2011: Pembangunan proyek CSNS awal dimulai dengan investasi 2,3 miliar yuan.
• Agustus 2018: Fasilitas mulai beroperasi.
• 30 Maret 2024: Rapat peluncuran CSNS-II digelar di Dongguan, dengan masa pembangunan yang ditetapkan selama lima tahun sembilan bulan.
• 25 September, selama pekerjaan peningkatan terbaru: Target T8 dipasang dan diuji.
• Akhir September: Pekerjaan konstruksi tahap kedua selesai.
• 15 Oktober: Lemari es helium untuk operasi pada suhu 2 kelvin dipasang.
• 20 Oktober: Fasilitas mencapai tonggak 200 kW setelah hampir sebulan penyetelan berkas.
• 24 Oktober: Institute of High Energy Physics mengumumkan operasi bagi pengguna pada daya yang lebih tinggi.

Langkah akselerator berikutnya yang disebutkan institut tersebut adalah meningkatkan energi berkas akselerator linear menjadi 300 MeV. Pengalaman dari pengoperasian awal terbaru akan menjadi panduan untuk pekerjaan itu dan peningkatan daya selanjutnya.

Kebutuhan meluas melampaui akselerator

Pengumuman peluncuran tahun 2024 dari institut tersebut mencatat lebih dari 6.000 pengguna terdaftar dan lebih dari 1.500 proyek eksperimen yang telah selesai sejak CSNS mulai beroperasi pada 2018. Angka-angka itu menggambarkan kondisi fasilitas pada saat pengumuman peluncuran tersebut.

Menurut institut tersebut, lebih dari 100 proyek yang telah rampung melibatkan pengguna dari Hong Kong, Makau, Taiwan, dan luar negeri. Komunitas penggunanya mencakup bidang energi, fisika, material, dan teknik, sehingga membutuhkan akses instrumen sekaligus pilihan kondisi eksperimen yang lebih beragam.

Zhang Junrong, pejabat yang bertanggung jawab atas eksperimen dan penerapan bagi pengguna, menjelaskan kebutuhan perluasan itu saat peluncuran.

"CSNS perlu segera ditingkatkan untuk memenuhi meningkatnya kebutuhan pengguna," kata Zhang.

Tahap kedua menjawab kebutuhan itu melalui dua cara yang saling terkait. Berkas yang lebih kuat dapat mempercepat sebagian pengukuran, sementara instrumen tambahan memberi peneliti lebih banyak pilihan tempat dan metode untuk melakukan eksperimen. Bagi pengguna, hasilnya bergantung pada kedua bagian yang bekerja bersama: sumber yang lebih kuat dan kapasitas eksperimen yang memadai untuk mengubah neutron menjadi hasil penelitian.

Poin-poin Utama

• CSNS mencapai 200 kW pada 20 Oktober dan mulai beroperasi bagi pengguna dengan daya dua kali lipat dari desain awal.
• Institut tersebut menyatakan kehilangan berkas menurun seiring peningkatan daya, setelah penyetelan peralatan dan perubahan mode operasi.
• Target T8 baru dan pemeliharaan seluruh 11 instrumen pengguna mendukung operasi pada daya yang lebih tinggi.
• CSNS-II menargetkan daya 500 kW dan peningkatan jumlah spektrometer neutron dari 11 menjadi 20, disertai stasiun eksperimen tambahan.
• Bagian akselerator superkonduktor masih harus dipasang, dengan peningkatan energi akselerator linear menjadi 300 MeV sebagai salah satu langkah berikutnya.
• Perluasan ini ditujukan untuk mendukung pengukuran yang lebih cepat, sampel yang lebih kecil, dan cakupan penelitian yang lebih luas.