_ Suprafețele mai netede fac acceleratoare mai bune

Cu fiecare nou accelerator de particule construit pentru cercetare, oamenii de știință au ocazia să depășească limitele descoperirii. Dar acest lucru este adevărat numai dacă noile acceleratoare de particule oferă performanța dorită - nu este o minune într-o lume în care fiecare mașină nouă este o premieră de acest fel. La fiecare oportunitate de proiect, cercetătorii încearcă să perfecționeze metodele de pregătire a componentelor cheie, astfel încât să obțină o „mai bună rentabilitate”.

Oamenii de știință Accelerator de la Thomas Jefferson National Accelerator Facility de la Departamentul de Energie al SUA au fost conducând acel proces de rafinare. Bazându-se pe zeci de ani de învățare empirică, ei catalogează modul în care sunt fabricate componentele acceleratorului de particule, cum este micro-rugozitatea suprafeței și modul în care toate acestea afectează performanța componentelor. Scopul lor final este o metodă funcțională pentru investigarea și prezicerea performanței finale a unui accelerator de particule, bazată pe rețeta specifică folosită pentru a-și pregăti piesele.

„Încercăm să găsim o modalitate de a înțelege diferitele lucruri care sunt continuă și apoi, cu această înțelegere, creează un proces care este foarte intenționat”, a explicat Charles Reece, un fizician senior accelerator care s-a retras de la Institutul SRF al Jefferson Lab anul trecut.

Acum, echipa a investigat câteva tratamente reprezentative de suprafață. pentru a le testa metodologia. Ei au descoperit că nu numai că prezice cu succes performanța, ci indică și tratamente de suprafață și mai bune, care nu au fost încă testate la scară largă. Rezultatele apar în Physical Review Accelerators and Beams.

Colatele vertebrale ale tuturor acceleratoarelor de particule avansate sunt structuri numite cavități de radiofrecvență, care sunt de obicei făcute din niobiu metalic. Când sunt suprarăcite la temperaturi apropiate de zero absolut, cavitățile de niobiu devin supraconductoare. Această tehnologie este singura modalitate de a construi acceleratoare de particule la scară largă, eficiente din punct de vedere energetic.

Timp de decenii, oamenii de știință acceleratori au crezut că cele mai bune cavități supraconductoare de radiofrecvență (SRF) au fost făcute din cel mai pur niobiu, fără contaminanți. suprafete. Instalația de accelerare a fasciculului de electroni continuu (CEBAF) a Jefferson Lab, de exemplu, este construită cu cavități de niobiu pur. CEBAF este o facilitate pentru utilizatori ai Biroului de Știință care servește drept casă de cercetare pentru mai mult de 1.900 de fizicieni nucleari din întreaga lume.

În anii mai recenti, cercetătorii DOE au descoperit că un pic de contaminant - de exemplu, azotul - copt pe suprafața niobiului ar putea îmbunătăți performanța unei cavități prin producerea și mai puțină căldură. Acest proces de „dopaj cu azot” a fost descoperit la Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) al DOE. Procesul îmbunătățește performanța prin difuzarea unui pic de azot gazos în suprafața materialului de niobiu.

Performanța cu tratamentele inițiale de dopaj cu azot a fost atât de puternică încât a fost aleasă de două ori pentru îmbunătățirea Linac Coherent Light Source (LCLS) X laser cu raze la Laboratorul național de accelerație SLAC al DOE din California. Fermilab a condus o colaborare cu mai multe laboratoare pentru a stabili rapid noi standarde pentru materialele și metodele de procesare utilizate pentru astfel de acceleratoare de înaltă eficiență.

„Aceste două proiecte folosesc ambele dopaj cu azot, dar două rețete diferite. Și a fost a observat că distribuția câmpurilor de vârf pe care le puteau atinge cavitățile era diferită acum între cele două rețete și deci întrebarea este de ce?" spuse Reece.

Cele două proiecte de modernizare a LCLS sunt LCLS-II și LCLS-II-HE. Proiectul LCLS-II a fost o actualizare pe mai mulți ani, de 1,1 miliarde de dolari, care a adăugat primele componente SRF la mașină. Această actualizare la tehnologia acceleratorului SRF permite laserului să producă până la un milion de impulsuri de raze X pe secundă, de 8.000 de ori mai multe decât predecesorul său. LCLS-II-HE adaugă componente SRF suplimentare pentru a dubla energia LCLS-II. Energiile mai mari vor permite mașinii să producă raze X mai scurte și să acceseze știință suplimentară.

Datorită participării Jefferson Lab la cele două proiecte diferite de upgrade pentru LCLS, echipa a avut o mulțime de informații despre tehnicile de pregătire utilizate. , precum și rezultatele testării performanței componentelor.

„Există o diferență în gradientul de accelerare maximă, în funcție de procesul de dopaj cu azot”, a declarat Eric Lechner, om de știință al personalului Jefferson Lab care a condus efortul de testare. . „Am vrut să aruncăm o privire asupra modului în care rugozitatea suprafeței este diferită între aceste procese și să o comparăm cu performanța măsurată în aceste cavități.”

Studiul s-a concentrat pe efectele electrolușării secvențiale asupra dopatului cu azot. probe de niobiu. După dopare, probele sunt electrolustruite pentru a îndepărta straturile exterioare de pe suprafața cavității. Lustruirea electromagnetică îndepărtează contaminarea suprafeței și netezește suprafața cavității.

Echipa dezvoltase deja o metodă de producere a probelor standardizate și de a le supune unei electrolustruire controlată. Ei au asamblat un set de instrumente nou cu care să măsoare și să analizeze topografia suprafeței pentru a estima impactul acesteia asupra performanței. Aceste instrumente includ microscopia electronică cu scanare, spectrometria de masă cu ioni secundari, microscopia cu forță atomică și difracția cu retrodifuziune a electronilor.

În procesul de dopare cu azot, niobiul este expus la azot gazos timp de două minute la 800 de grade Celsius și în unele cazuri, recoaptă în continuare sau tratată termic în vid la aceeași temperatură. În timpul procesului, nitrururile de niobiu se formează la suprafață și trebuie îndepărtate chimic pentru a recupera o bună performanță RF.

Echipa a reprodus acele procese pe probele lor controlate și apoi a investigat suprafețele așa cum au fost tratate cu trusa de instrumente pentru a vedea cum a evoluat topografia de-a lungul întregii.

Echipa a descoperit că diferențele erau vizibile în special la granițele de niobiu. Aceste limite de cereale se formează pe măsură ce metalul de niobiu folosit pentru a produce cavitățile este transformat în lingouri sau foi. Niobiul este mai întâi topit și, pe măsură ce se răcește, se formează cristale individuale ale metalului. Limitele acestor cristale individuale sunt granițele de granule care pot fi vizibile cu ochiul liber și printr-un microscop.

Ceea ce au descoperit în probele lor a fost că, pe lângă gazul benefic de azot introdus în suprafața niobiul în timpul procesului de dopaj, cristalele mari compuse de nitrură s-au format și s-au aglomerat, de preferință, la unele granițe ale niobiului în timpul procesului de recoacere.

„Este acel gaz din niobiu care face lucrurile bune. cristalele compuse de nitrură de la suprafață sunt o veste cu adevărat proastă, așa că trebuie să le îndepărtăm”, a explicat Reece.

Acele cristale de nitrură au fost îndepărtate în timpul electropoluirii, dar au lăsat în urmă șanțuri triunghiulare adânci în care crescuseră. canelurile amplifică efectiv câmpul magnetic local, limitând cât de „puternic” poate fi ridicat câmpul de accelerare util.

„Deci bănuim că acest lucru se datorează unui proces numit maturare Ostwald, în care nitrururile vor avea tendința de a se aglomera. împreună în timpul procesului de recoacere, formând nitruri mai mari care sunt mai adânci. Și apoi, în timpul procesului de electrolustruire, acel jgheab mai adânc este atacat de preferință. Deci, aveți un șanț mai profund și mai ascuțit. Adânc și ascuțit sunt două calități de rugozitate a suprafeței care sunt dăunătoare pentru performanță”, a clarificat Lechner.

Prea multă electrolustruire pentru a îndepărta nitrururile de cristal și a atenua canelurile ar putea elimina, de asemenea, gazul benefic de azot care a ajutat de fapt la îmbunătățirea performanței.

"Analiza noastră topografică este de acord cu tendința de performanță. observate în proiectul de cercetare și dezvoltare LCLS-II HE, precum și performanța de producție a cavităților pentru LCLS-II și LCLS-II HE, care au avut diferite procese de dopare cu azot”, a adăugat Lechner.

Echipa a subliniat că niobiul obținerea unei performanțe maxime mai mari în câmp a fost mai netedă.

Dar azotul nu este singurul contaminant care arată promițător în îmbunătățirea performanței SRF.

Cercetarea și dezvoltarea de la Fermilab au arătat că tratarea termică a cavităților de niobiu la ~300 °C, folosind un aparat unic de încălzire, a produs performanțe RF asemănătoare cu dopajul cu azot.

Pe baza acestor rezultate, cercetătorii de la High Energy Accelerator Research Organization -- cunoscută sub numele de KEK -- din Japonia și Institutul Chinei de Fizica de înaltă energie a descoperit că obțin eficiențe similare dopajului cu azot printr-un proces mult mai simplu: au copt cavitățile la temperaturi mult mai scăzute în cuptoare cu vid standard - aproximativ 300 până la 400 o Celsius, nu au adăugat azot gazos, apoi doar au clătit cavitățile. și a sărit peste electrolușarea.

Oamenii de știință de la Jefferson Lab și alții au fost atât de intrigați de această premisă încât Reece a lansat o investigație asupra procesului.

El, Ari Palczewski, Lechner și Jonathan Angle, apoi un student absolvent la Virginia Tech, a bănuit că oxigenul este principalul contaminant în noua metodă. Cercetările lor au cuantificat acest proces atât experimental, cât și teoretic, confirmând că oxigenul era aditivul. În timpul coacerii, oxidul nativ al niobiului a dizolvat și a difuzat atomii de oxigen în mod uniform pe suprafața sa.

„Deci, acesta este dopajul cu oxigen, spre deosebire de dopajul cu azot. Se poate face printr-un proces mult mai simplu. Și, deci, acesta este unul. dintre tipurile de probe pe care le-am abordat”, a spus Reece.

Atât dopajul cu azot, cât și dopajul cu oxigen au îmbunătățit eficiența aproape identic, dar deoarece dopajul cu oxigen este mult mai simplu și mai puțin costisitor, Lechner a spus că este considerată opțiunea mai atractivă pentru viitoarele cavități SRF.

„Analiza topografică sugerează că câmpurile de vârf mai mari ar trebui să fie atinse în cavitățile dopate cu oxigen printr-un proces semnificativ mai simplu și mai ieftin”, a spus Lechner.

Laboratorul. continuă să folosească analiza dezvoltată pentru acest studiu, aplicând-o și altor materiale de interes pentru aplicațiile SRF, a spus Lechner.

Între timp, echipa continuă să se îndrepte spre obiectivul lor de a-și îndrepta atenția. ajustarea trusei de instrumente și modelul modului în care diferitele aspecte ale pregătirii suprafeței cavității afectează performanța acceleratorului. În esență, ei caută cum să adapteze economic stratul de suprafață de 1 micron gros al cavităților de accelerație pentru a îndeplini cu încredere cerințele de performanță ale aplicațiilor viitoare.

„Acesta este lucrul cheie aici, nu doar să găsim o rețetă care se întâmplă să funcționeze, dar să înțelegem ce se întâmplă, astfel încât să fim suficient de cunoscuți pentru a o putea personaliza”, a spus Reece. „Pentru a obține o suprafață despre care știi că va fi bună, aceasta este gâsca de aur. Avem nevoie atât de mai puțină căldură, cât și de câmpuri mai înalte, în mod fiabil.”

(Fluierul)