美国能源部（DOE）劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源（ALS）的升级实现了一个重要里程碑，将有助于保持先进光源在世界上的领先地位。
12月23日，美国能源部批准了一项关键的融资步骤，允许项目开始建设新的内部电子储能环，该内环被称为蓄能环（accumulator ring），将成为升级后设施的主要发光储能环，是升级项目（ALS-U）的一部分。最新批准的这项技术达到CD-3a阶段，获得了一笔用于购买设备的重要资金授权，并正式批准了蓄能环开工建设。该项批准是DOE“关键决策”流程中必不可少的一步，涉及在几个关键项目阶段进行的深入审查。
先进光源通过将电子加速到接近光速，引导它们沿圆形路径运动，从而产生从红外到高能X射线等一系列波长的超亮光。强大的磁体阵列使电子束弯曲，发出的光被引导到几十条束线上，用于物理、医学、化学、生物学和地质学等广泛科学领域的实验。每年有2000多名来自世界各地的科学家利用该设施进行实验。
更亮、更像激光的光束以及“可循环”的电子
除安装蓄能环之外，升级项目还将用下一代储存环（storage ring）替换现有的主储存环，将光束尺寸从约100微米（百万分之一米）减小到10微米以下。
蓄能环和升级后的主储存环的组合将使关键能量的光束亮度提升至少100倍，并通过增强相干性使光束更像激光，使揭示纳米尺度特征、实时观察化学过程和材料的功能成为可能。
如今，先进光源的电子首先被直线加速器（straight accelerator）和增强器（booster ring）加速，然后再被转移到储存环，储存环将光传送到光束线上。升级后，从增强器出来的电子会进入到蓄能环，从而减小电子束的尺寸和扩散，在把电子束转移到储存环之前，会在增强器上积累多批或“注入”电子束。
缩小蓄能环中的电子束轮廓，再加上在先进光源环之间交换电子束的创新技术，以及使用波荡器（undulators）的改进磁性装置，可使电子波荡并使发射光更窄，升级后的先进光源具有更高的亮度。
蓄能环还将通过主储存环的传输线“回收”电荷耗尽的电子束，使其恢复较高的电荷并反馈到储存环中。这是先进光源升级后的特点，也适用于全球其他加速器设施。它将减少丢失的电子数量，降低设施生产电子的工作量。
为了允许在蓄能环、增强器和储存环之间进行精确定时的电子束串交换，需要三条传输线。其中一条将把电子束从增强器输送到蓄能环，在蓄能环中，电子束的尺寸将减小，电荷逐渐增加，然后通过另一条传输线将电子束输送到主储存环。第三传输线将允许多余电子重新进入蓄能环以进行再利用。研究人员称，欧洲和美国最新的先进设备和升级已经实现了他们正在使用的技术，而他们的主要贡献之一是使用了带束列的交换注入蓄能器（accumulator with bunch train swap-out injection）。
处于“软”和“柔软”X射线研究的前沿
对于开发束列换出和相关技术，ALS-U项目负责人David Robin对加速器部分的负责人Christoph Steier予以认可，它们将在增强设施的性能中发挥至关重要的作用。
ALS-U项目将使设施处于使用软X射线研究的前沿，这种X射线非常适合研究材料的化学、电子和磁性能。对于碳、氧、氮等轻元素，其能量比能穿透样品更深的硬X射线低。项目还将扩大“柔软”X射线的使用范围，介于硬X射线和软X射线之间，可用于地球、环境、能源和凝聚态科学研究。
但是，ALS-U项目拆卸和安装加速器的负责人Daniela Leitner指出，这是一项艰巨的任务，因为主储存环位于在厚厚的混凝土隧道中，设计时只容纳一个环，现在的升级要求是将第二个环放置进去。
小型ALS蓄能环将提高新存储环的性能
“我们需要以蓄能环的形式建立一个‘小型ALS’，”Leitner说。蓄能环的周长约600英尺，而主储存环的周长约640英尺。它必须安装在离地面6.5英尺高的地方，有些地方只比天花板低7英寸——而且要紧靠内壁，这样工人才能安全通过ALS的隧道。
Robin指出，“这是一个复杂的升级工程。空间非常狭窄，必须移动隧道中现有设备才能腾出空间。”
蓄能环设计紧凑，与现有储存环相比，重量、占地面积和功耗都有所减少。CD-3a提供资金支持蓄能环安装，安装工作将在今后几年定期安排的停机时间内进行，尽量减少对ALS操作的干扰。
在停机之前一年安装和测试蓄能环，在常规ALS操作期间也有可能测试新环。停机期将允许拆除现有存储环并安装新存储环。
提前安装蓄能环可以最大程度地减少停机时间，这将需要拆卸和更换400吨设备，预计近几年内项目将进入最后阶段。
蓄能环相关设备约为80吨，预计将于2020年夏季开始建设。数十种主要设备包括辅助弯曲和聚焦电子束的特殊磁性设备。这些磁性装置是七个部件阵列的一部分，必须安装在ALS的每个扇区中，并将12个装置通过真空管连接。安装预计将需要53000个工时以及数千根电缆。
原型和模拟简化组装、安装和故障排除
ALS-U项目团队已经构建蓄能环的关键部件原型，并在其设计高度构建了部分蓄能环设备的模型，以找到最佳安装方法。工作人员还将建造完整的蓄能环部件，测量它们的对准情况，并在安装之前测试集成硬件，加快项目实施进程。
加速器模拟方面的技术改进有助于提前排除随着蓄能环和存储环调试而可能出现的潜在问题。这些算法解释了磁铁未对齐和电力供应波动等问题，它们在建造大型加速器设施时很常见。一般来说，项目组会事先模拟所有的操作，随着时间的推移，这些模拟会变得越来越精确。这些模拟可以指导加速器设备的设计选择，并加快ALS-U的启动过程。
