Preparar estructuras de aceleradores de partículas de clase mundial ha sido durante mucho tiempo un proceso similar a seguir una receta favorita. Muchas de las muestras de mejor rendimiento se preparan utilizando procesos desarrollados mediante prueba y error durante décadas de experiencia. Pero recientemente, Los científicos del acelerador han estado impulsando este enfoque empírico de la ciencia con más aportes teóricos. Ahora, sus esfuerzos están comenzando a dar sus frutos.

Los científicos de Aceleradores de la Instalación Nacional de Aceleradores Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU. Han desarrollado un modelo para un método de preparación más barato y fácil para obtener un mejor rendimiento de los aceleradores de partículas. Más lejos, Las pruebas preliminares del nuevo modelo muestran que pronto proporcionará a los científicos la capacidad de predecir el mejor método de preparación de material para objetivos de rendimiento específicos. Los resultados de este estudio se publicaron recientemente en Letras de física aplicada .

Construyendo aceleradores eficientes

Muchos de los aceleradores de partículas avanzados actuales utilizan tecnología de radiofrecuencia superconductora, o tecnología SRF. Estos aceleradores funcionan con estructuras de formas especiales llamadas cavidades de aceleradores. Las caries suelen estar hechas de un metal llamado niobio. Cuando se enfría a temperaturas criogénicas, las cavidades del acelerador de niobio se vuelven superconductoras, permitiéndoles almacenar grandes cantidades de energía de radiofrecuencia para acelerar partículas.

Alguna vez se pensó que las cavidades del acelerador de niobio funcionaban mejor si estaban hechas del metal niobio más puro y tenían el más limpio, superficie libre de contaminantes. Sin embargo, varios estudios recientes han indicado que agregar elementos específicos a la superficie de una cavidad podría ayudar a aumentar su eficiencia.

Específicamente, La investigación inicial en el Fermi National Accelerator Laboratory del DOE descubrió que agregar nitrógeno a la superficie de los componentes del acelerador de niobio los hace más eficientes. Los sólidos resultados empíricos de las pruebas colaborativas posteriores convencieron a los gerentes de la actualización de la fuente de luz coherente Linac a adoptar este proceso. a lo que se refirieron como "dopaje con nitrógeno". El LCLS está ubicado en el SLAC National Accelerator Lab del DOE en Menlo Park, California.

Dopaje con nitrógeno

Cavidades de dopaje con nitrógeno, sin embargo, puede ser un proceso complicado. Los pasos finales de preparación de una receta típica incluyen cocerlos en un horno impecablemente limpio a alrededor de 800 ℃ (aproximadamente 1, 500 ℉) durante horas con la adición de un poco de gas nitrógeno durante los últimos minutos, enjuagarlos con un chorro de agua ultrapura a alta presión, y luego someter las cavidades a un tratamiento con ácido cuidadosamente controlado llamado electropulido que esencialmente quita capas delgadas de material con muchas pérdidas de la superficie. Después de otro enjuague, las cavidades están listas para ser probadas para determinar su eficiencia.

Este largo y complicado proceso ha arrojado excelentes resultados en las pruebas necesarias para ese proyecto. Pero, la ciencia de cómo la preparación mejoraba el rendimiento (qué cambios físicos induce en la superficie de una cavidad y cómo producían el efecto deseado) seguía siendo ambigua. También se desconocía cómo el ajuste de ciertas partes del proceso mejoraría o limitaría el rendimiento de la cavidad del acelerador.

En 2019, El científico del personal del laboratorio de Jefferson, Ari Palczewski, se propuso cambiar eso. Recibió un premio DOE Early Career Award de la Oficina de Física Nuclear para desarrollar un modelo teórico de cómo los diferentes pasos de procesamiento equivalen al rendimiento esperado en las cavidades del acelerador que han sido dopadas con nitrógeno.

Palczewski adoptó un enfoque multidisciplinario de la investigación. Se incorporó a Eric Lechner como becario postdoctoral en el Instituto SRF de Jefferson Lab. Lechner aplica su experiencia teórica al proyecto. Comenzó por deconstruir la mecánica de cómo las recetas de dopaje con nitrógeno cambian la superficie del niobio.

"Básicamente, lo que está sucediendo es que permite que algunas impurezas entren en la superficie del niobio, que forma las cavidades del acelerador SRF. Estamos hablando de unos pocos micrómetros más o menos. Esto mejora las propiedades del superconductor, "explicó Lechner.

Analizó muestras preparadas con Jonathan Angle, estudiante de posgrado en el programa de ciencia e ingeniería de materiales en Virginia Tech. Angle utilizó una técnica llamada espectrometría de masas de iones secundarios para escanear la superficie y las profundidades del material para caracterizar cómo se distribuía el nitrógeno en el niobio mediante diferentes técnicas de preparación.

Del nitrógeno al oxígeno

Si bien esta investigación avanzaba bien, el equipo pronto tuvo motivos para cambiar de marcha.

Los investigadores de la High Energy Accelerator Research Organisation (KEK) en Japón comenzaron a reportar eficiencias que rivalizan con las de las cavidades del acelerador dopadas con nitrógeno de cavidades que habían recibido un método de procesamiento mucho menos oneroso. Esencialmente, Los investigadores de KEK habían horneado cavidades en un horno a temperaturas mucho más bajas, a solo 300–400 ℃, y luego simplemente enjuagaron las cavidades y las probaron. Estos resultados intrigaron a los científicos del acelerador en Jefferson Lab.

Más lejos, el proyecto inicial de carrera que se había centrado en el dopaje con nitrógeno estaba llegando a su fin con la partida de Palczewski, que había pasado a perseguir diferentes desafíos en la industria.

Charlie Reece, un físico de aceleración senior en el SRF Institute, Luego hizo una propuesta para que la línea de investigación se enfocara en el prometedor proceso de preparación alternativa.

Lechner y Angle se pusieron a trabajar en la preparación de cavidades utilizando un proceso más simple. Luego analizaron las superficies de las cavidades.

"Jonathan y yo lo investigamos con la técnica de espectrometría de masas de iones secundarios. Y aquí es donde descubrimos que el principal contaminante en este caso era oxígeno en lugar de nitrógeno". por lo que desempeñó un papel similar en la mejora del rendimiento, "Dijo Lechner.

Dijo que el oxígeno proviene de la superficie del propio niobio. Eso es porque los óxidos, que contienen principalmente los átomos de oxígeno, siempre se forman en la superficie del metal con la exposición al aire.

"Cuando lo calientas, el óxido comienza a disolverse, y el oxígeno que se libera durante este proceso termina disolviéndose en la superficie del niobio en un proceso de difusión, "Lechner explicó.

El resultado es un nuevo capa superficial delgada compuesta de una aleación de niobio-oxígeno. Y debido a que el oxígeno proviene de óxidos que están presentes naturalmente en cada superficie de la cavidad, el oxígeno se difunde uniformemente en todos los rincones y grietas.

"Simplemente pon, este proceso es más simple, más económico, y trabaja en cualquier geometría o diseño de la cavidad del acelerador, "Reece dijo.

La teoría brilla una luz

"Gran parte del esfuerzo detrás de este trabajo fue tratar de comprender el mecanismo detrás de la introducción de oxígeno en la superficie. No hay muchos modelos que predigan lo que sucede cuando se hornea una cavidad en este rango de temperatura, "Dijo Lechner.

Pero un modelo que se destacó vino de otro de los propios investigadores de Jefferson Lab:Gigi Ciovati. Mientras trabajaba en su Ph.D. tesis en 2006, Ciovati había desarrollado un modelo teórico sobre la disolución del óxido de niobio y la difusión de oxígeno para explicar la migración de oxígeno a temperaturas de alrededor de 100-200 ℃.

"Gigi había desarrollado un modelo bastante agradable que explicaba este efecto, ", Comentó Lechner." Este modelo le permite desarrollar un perfil de oxígeno en la superficie que es personalizable, por lo que puede intentar desarrollar una receta de calentamiento para mejorar el factor de calidad [qué tan bien funciona la cavidad] de manera óptima. Y también, es posible que pueda diseñar un perfil de oxígeno que mejore el gradiente de aceleración máximo en la cavidad, que te dice cuánta energía puedes almacenar allí ".

Sin embargo, en el momento, Ciovati no tuvo acceso a la técnica de espectrometría de masas de iones secundarios para verificar qué estaba sucediendo entre el niobio y el oxígeno en la superficie. Lechner y Angle pudieron usar el modelo de Ciovati y lo que aprendieron de la espectrometría de masas de iones secundarios para aplicar el modelo a sus nuevas muestras.

Esta fase del trabajo tenía como objetivo tomar el modelo analítico que había desarrollado Ciovati y usarlo para construir un nuevo modelo numérico que permitiría a los constructores de aceleradores afinar sus recetas para lograr cavidades de aceleradores más eficientes.

"Ahora, Estamos tratando de desarrollar un modelo numérico que nos ayude a adaptar un perfil cerca de la superficie de manera que optimice el factor de calidad y el campo de aceleración. "Dijo Lechner.

Si tiene éxito, El nuevo modelo permitirá a los fabricantes de aceleradores marcar con confianza la receta óptima para la mejora de la eficiencia que necesitan. Esto sería, por primera vez, Permitir la personalización de la receta de preparación de la estructura del acelerador sin perder tiempo innecesario por ensayo y error a ciegas.

"El objetivo de esta investigación es abrir la ventana a la previsibilidad. Queremos diseñar el proceso de una manera reflexiva, para que podamos diseñar con éxito el proceso que nos dará de manera confiable el resultado deseado, "Reece dijo.

Lechner dijo que el equipo ya está obteniendo resultados prometedores con el nuevo modelo, pero sugiere que aún se pueden realizar mejoras en el modelado.

"Esto todavía es un trabajo en progreso. Estamos buscando probar este modelo ahora, "añadió.

Los resultados iniciales se publicaron recientemente en Letras de física aplicada y reconocido como notable por la selección como una contribución de Editors Pick.