ABD'deki bilim insanları, güç tüketimini yüzde 80 oranında azaltabilecek ve ışın parlaklığını 100 kata kadar artırarak malzeme bilimi, biyoloji ve enerji alanlarındaki araştırmalarda devrim yaratabilecek yenilikçi bir manyetik sistem tanıttı. Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’na bağlı Ulusal Sinkrotron Işık Kaynağı II (NSLS-II) bünyesinde geliştirilen karmaşık bükülme kafesi prototipi, hızlandırıcı teknolojisinde yeni bir dönemin kapılarını aralıyor.
YENİ NESİL KAFES
NSLS-II’nin araştırma ekibi, hızlandırıcıların geleceği için heyecan verici olanaklar sunan yeni nesil mıknatıs dizisini geliştirmek için yıllarca süren çalışmalar gerçekleştirdi. Bu gelişme, NSLS-II’nin bir sonraki büyük yükseltmesinin temelini oluşturacak nitelikte.
NSLS-II, 3 GeV enerjili son teknoloji bir elektron depolama halkası olarak tasarlandı ve yüksek yoğunluklu X-ışınları üretmek için kararlı bir elektron demeti kullanıyor. Bu X-ışınları, proteinlerden pil malzemelerine kadar pek çok konunun araştırıldığı yaklaşık 60 ışın hattında kullanılıyor. Şu anda bunların 29’u aktif durumda, diğerleri ise geliştirilme aşamasında.
ENERJİ TASARRUFU VE PARLAKLIK
1970’li yıllarda Renate Chasman ve George Kenneth Green tarafından geliştirilen mevcut sistem, ultra parlak bir elektron demetini yönlendirmek için elektromıknatıslar kullanan çift kıvrımlı bir akromat kafes üzerine kurulmuştu. Günümüzde ise NSLS-II Hızlandırıcı Bölümü Direktörü Timur Shaftan liderliğindeki ekip, daha küçük, elektrik tüketmeyen ve bakım gerektirmeyen kalıcı mıknatıslar kullanarak yeni bir kafes tasarımını hayata geçirmeyi amaçlıyor.
Yeni tasarımda kullanılan sabit mıknatıslı kuadrupoller (PMQ'lar), geleneksel elektromıknatısların aksine hem odaklama (kuadrupol) hem de bükme (dipol) işlevlerini yerine getiriyor. Bu mıknatıslar, kavisli bir Halbach silindir yörüngesi boyunca yerleştirilerek daha sıkı ve daha düşük emittanslı bir ışın elde edilmesini sağlıyor. Bu da ışın parlaklığını artırarak deneylerin verimliliğini ve çözünürlüğünü yükseltiyor.
PROTOTİP AŞAMASINDA İLERLEME
NSLS-II araştırma ekibi, bu yeni tasarımı test etmek amacıyla farklı ölçeklerde prototipler geliştirdi. Küçük, düşük enerjili bir modelden yola çıkılarak tam ölçekli bir versiyon üretildi. Bu tam ölçekli prototiplerden ikisi, kısa süre içinde NSLS-II tüneline yerleştirilecek.
Ekipte yer alan makine mühendisi Bernard Kosciuk, kurulum öncesinde prototipin performansından emin olmak amacıyla laboratuvarda yoğun manyetik testler gerçekleştirdiklerini ifade etti. Her türlü belirsizliği ortadan kaldırarak, prototipin sorunsuz devreye alınabilmesi için planlama yaptıklarını belirtti.
Araştırmacılar, bu karmaşık bükülme tasarımının, NSLS-II’nin güç kullanımını yüzde 80 oranında azaltarak 1,7 megawatt’tan 0,3 megawatt’a düşürebileceğini ve ışın parlaklığını 10 ila 100 kat artırabileceğini öngörüyor. Daha kompakt boyutlu sabit mıknatıslar, hem tesis gereksinimini ortadan kaldırıyor hem de daha fazla deneysel araç ve ışın hattı genişlemesine olanak tanıyor.
YAPAY ZEKA DESTEĞİ
Altı yıllık istikrarlı bir geliştirme sürecinin ardından, fizikçi Guimei Wang liderliğindeki ekip, 3 GeV’lik makinenin 200 megaelektron voltluk linak ışını kullanan küçük ölçekli bir versiyonunu başarıyla test etti. Bu kavram kanıtı, tam ölçekli sistemden 15 kat daha az enerjiyle çalıştı.
Yeni tasarım sürecinde bazı zorluklarla karşılaşıldı. Ancak araştırma ekibi, bu sorunları makine öğrenmesiyle ışın ayarlama, esnek vakum odası bağlantıları ve mikrometre çözünürlüklü görüntüleme sistemleri gibi yenilikçi çözümlerle aşmayı başardı.
Brookhaven’ın Çarpıştırıcı-Hızlandırıcı Departmanı ile birlikte geliştirilen yeni tam ölçekli prototip, yüksek mekanik gerilimlere dayanabilecek şekilde hassas bir şekilde işlenen, 6,5 inç çapında ve iki metre uzunluğunda ince duvarlı bir vakum odasına sahip. Tasarımda ayrıca, entegre bükülmeyi mümkün kılan optimize mıknatıs kamaları da kullanıldı.
Manyetik alan kalitesini güvence altına almak amacıyla ekip, Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı işbirliğiyle özel bir bakır bobin sistemi geliştirdi. Bu sistem, mıknatısların yalnızca istenen dipol ve kuadrupol alanlarını ürettiğini doğrularken, potansiyel zararlı etkileri de önlemeye yardımcı oldu.
GELECEK PLANLARI HAZIR
NSLS-II tüneline yerleştirilecek iki tam ölçekli PMQ prototipinin laboratuvar ölçümleriyle doğrulanması bekleniyor. Projenin kıdemli danışmanı ve liderlerinden Sushil Sharma, prototipin depolama halkasına kurulum şartlarını karşıladığını ancak hâlâ ölçeklenebilirliği, maliyet verimliliği ve uzun vadeli güvenilirliğinin değerlendirilmesi gerektiğini vurguladı.
Sharma ayrıca, bu kriterlere uygun iki tam işlevsel prototip oluşturmak ve bunları NSLS-II’ye kurmak üzere teklif hazırlığında olduklarını belirtti.
Projede ayrıca ABD Enerji Bakanlığı'nın düzenlediği "1.000 Bilim İnsanı Yapay Zeka Sıkışma Oturumu" kapsamında yapay zeka teknolojilerinden de yararlanıldı. Brookhaven bilim insanları, PMQ düzeltme algoritmaları ve manyetik alan tahminleri için yapay zeka modellerini test etti. Elde edilen sonuçlar, yapay zekanın gelecekteki hızlandırıcı tasarım süreçlerine başarıyla entegre edilebileceğini gösterdi.
