Con cada nuevo acelerador de partículas construido para la investigación, los científicos tienen la oportunidad de superar los límites del descubrimiento. Pero esto sólo es cierto si los nuevos aceleradores de partículas ofrecen el rendimiento deseado, lo que no es poca cosa en un mundo donde cada nueva máquina es la primera de su tipo particular. En cada oportunidad de proyecto, los investigadores intentan perfeccionar los métodos de preparación de los componentes clave para obtener "un mejor rendimiento por el dinero".
Los científicos de aceleradores de la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU. han estado liderando ese proceso de refinamiento. Basándose en décadas de aprendizaje empírico, están catalogando cómo se fabrican los componentes del acelerador de partículas, cómo es la microrugosidad de la superficie y cómo todo esto afecta el rendimiento de los componentes. Su objetivo final es un método funcional para investigar y predecir el rendimiento final de un acelerador de partículas basándose en la receta específica utilizada para preparar sus piezas.
"Estamos tratando de encontrar una manera de comprender las diferentes cosas que están sucediendo y luego, con esa comprensión, elaborar un proceso que sea muy intencional", explicó Charles Reece, físico senior de aceleradores que se retiró del Instituto SRF del Laboratorio Jefferson el año pasado. /P>
Ahora, el equipo ha investigado varios tratamientos de superficie representativos para probar su metodología. Han descubierto que no sólo predice con éxito el rendimiento, sino que también apunta hacia tratamientos de superficie aún mejores que aún no se han probado a gran escala. Los resultados aparecen en Vigas y Aceleradores de Revisión Física .
La columna vertebral de prácticamente todos los aceleradores de partículas avanzados son estructuras llamadas cavidades de radiofrecuencia, que normalmente están hechas de niobio metálico. Cuando se sobreenfrían a temperaturas cercanas al cero absoluto, las cavidades de niobio se vuelven superconductoras. Esta tecnología es la única manera de construir aceleradores de partículas a gran escala y energéticamente eficientes.
Durante décadas, los científicos de aceleradores creyeron que las mejores cavidades de radiofrecuencia superconductora (SRF) estaban hechas del niobio más puro con superficies libres de contaminantes. La instalación del acelerador continuo de haz de electrones (CEBAF) del Jefferson Lab, por ejemplo, está construida con cavidades de niobio puro. CEBAF es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias que sirve como centro de investigación para más de 1.900 físicos nucleares en todo el mundo.
Sin embargo, en años más recientes, los investigadores del DOE descubrieron que un poco de contaminante (por ejemplo, nitrógeno) adherido a la superficie del niobio podría mejorar el rendimiento de una cavidad al generar incluso menos calor. Este proceso de "dopaje con nitrógeno" fue descubierto en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi (Fermilab) del DOE. El proceso mejora el rendimiento al difundir un poco de gas nitrógeno en la superficie del material de niobio.
El rendimiento con los tratamientos iniciales de dopaje con nitrógeno fue tan sólido que fue elegido dos veces para actualizar el láser de rayos X Linac Coherent Light Source (LCLS) en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del DOE en California. Fermilab lideró una colaboración entre varios laboratorios para establecer rápidamente nuevos estándares para el material y los métodos de procesamiento utilizados para estos aceleradores de alta eficiencia.
"Estos dos proyectos utilizan dopaje con nitrógeno, pero dos recetas diferentes. Y se observó que la distribución de los campos máximos que las cavidades podían alcanzar ahora era diferente entre las dos recetas. Entonces la pregunta es ¿por qué?" dijo Reece.
Los dos proyectos que mejoran el LCLS son LCLS-II y LCLS-II-HE. El proyecto LCLS-II fue una actualización de varios años y valorada en 1.100 millones de dólares que añadió los primeros componentes SRF a la máquina. Esta actualización de la tecnología de acelerador SRF permite que el láser produzca hasta un millón de pulsos de rayos X por segundo, 8.000 veces más que su predecesor. LCLS-II-HE está agregando componentes SRF adicionales para duplicar la energía de LCLS-II. Energías más altas permitirán que la máquina produzca rayos X más cortos y acceda a ciencia adicional.
Gracias a la participación de Jefferson Lab en los dos proyectos de actualización diferentes para LCLS, el equipo obtuvo una gran cantidad de información sobre las técnicas de preparación utilizadas, así como los resultados de las pruebas de rendimiento de los componentes.
"Existe una diferencia en el gradiente máximo de aceleración final, dependiendo del proceso de dopaje con nitrógeno", dijo Eric Lechner, científico del Jefferson Lab que dirigió el esfuerzo de prueba. "Queríamos observar en qué se diferencia la rugosidad de la superficie entre estos procesos y compararla con el rendimiento medido en estas cavidades".
El estudio se centró en los efectos del electropulido secuencial en muestras de niobio dopadas con nitrógeno. Después del dopaje, las muestras se electropulen para eliminar las capas exteriores de la superficie de la cavidad. El electropulido elimina la contaminación de la superficie y alisa la superficie de la cavidad.
El equipo ya había desarrollado un método para producir muestras estandarizadas y someterlas a un electropulido controlado. Habían reunido un nuevo conjunto de herramientas con el que medir y analizar la topografía de la superficie para estimar su impacto en el rendimiento. Estas herramientas incluyen microscopía electrónica de barrido, espectrometría de masas de iones secundarios, microscopía de fuerza atómica y difracción de retrodispersión de electrones.
En el proceso de dopaje con nitrógeno, el niobio se expone al gas nitrógeno durante dos minutos a 800 grados Celsius y, en algunos casos, se recoce o se trata térmicamente en el vacío a esa misma temperatura. Durante el proceso, se forman nitruros de niobio en la superficie y deben eliminarse químicamente para recuperar un buen rendimiento de RF.
El equipo reprodujo esos procesos en sus muestras controladas y luego investigó las superficies tratadas con su kit de herramientas para ver cómo evolucionaba la topografía.
El equipo descubrió que las diferencias eran particularmente visibles en los límites de los granos de niobio. Estos límites de grano se forman a medida que el metal de niobio utilizado para producir las cavidades se convierte en lingotes o láminas. Primero se funde el niobio y, a medida que se enfría, se forman cristales individuales del metal. Los límites de estos cristales individuales son los límites de los granos que pueden ser visibles a simple vista y a través de un microscopio.
Lo que encontraron en sus muestras fue que, además del beneficioso gas nitrógeno introducido en la superficie del niobio durante el proceso de dopaje, también se formaron grandes cristales de compuestos de nitruro que se agruparon preferentemente en algunos límites de grano del niobio durante el proceso de recocido. /P>
"Es ese gas dentro del niobio el que hace las cosas buenas. Los cristales del compuesto de nitruro en la superficie son realmente malas noticias, por lo que tenemos que eliminarlos", explicó Reece.
Esos cristales de nitruro se eliminaron durante el electropulido, pero dejaron profundos surcos triangulares en los que habían crecido. Dichos surcos amplifican efectivamente el campo magnético local, limitando el "ruido" que se puede activar el útil campo de aceleración.
"Así que sospechamos que esto se debe a un proceso llamado maduración de Ostwald, donde los nitruros tenderán a agruparse durante el proceso de recocido, formando nitruros más grandes y más profundos. Y luego, durante el proceso de electropulido, ese canal más profundo es atacado preferentemente. , se obtiene un surco más profundo y nítido. Profundo y nítido son dos cualidades de rugosidad de la superficie que son malas para el rendimiento", aclaró Lechner.
Demasiado electropulido para eliminar los nitruros de cristal y aliviar el ranurado también podría eliminar el gas nitrógeno beneficioso que realmente ayudó a mejorar el rendimiento.
"Nuestro análisis topográfico coincide bien con la tendencia de rendimiento observada en el proyecto de I+D LCLS-II HE, así como con el rendimiento de producción de cavidades para LCLS-II y LCLS-II HE, que tuvieron diferentes procesos de dopaje con nitrógeno", añadió Lechner. P>
El equipo destacó que el niobio que producía el mayor rendimiento máximo en el campo era más suave.
Pero el nitrógeno no es el único contaminante que promete mejorar el rendimiento del CSR.
La investigación y el desarrollo en Fermilab demostraron que el tratamiento térmico de las cavidades de niobio a ~300 °C utilizando un aparato de calentamiento único produjo un rendimiento de RF similar al dopaje con nitrógeno.
Sobre la base de estos resultados, los investigadores de la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía (conocida como KEK) en Japón y el Instituto de Física de Altas Energías de China descubrieron que estaban obteniendo eficiencias similares al dopaje con nitrógeno con un proceso mucho más simple:hornearon cavidades a distancias muy largas. temperaturas más bajas en hornos de vacío estándar:alrededor de 300 a 400 o Celsius, no agregué gas nitrógeno, luego simplemente enjuagó las cavidades y se saltó el electropulido.
Los científicos del Laboratorio Jefferson y otros estaban tan intrigados por esta premisa que Reece inició una investigación sobre el proceso.
Él, Ari Palczewski, Lechner y Jonathan Angle, entonces estudiante de posgrado en Virginia Tech, sospechaban que el oxígeno era el principal contaminante del nuevo método. Su investigación cuantificó este proceso tanto experimental como teóricamente, confirmando que el oxígeno era el aditivo. Durante la cocción, el óxido nativo del niobio se disolvió y difundió átomos de oxígeno uniformemente en su superficie.
"Así que esto es dopaje con oxígeno en lugar de dopaje con nitrógeno. Se puede hacer con un proceso mucho más simple. Y ese es uno de los tipos de muestras que abordamos", dijo Reece.
Tanto el dopaje con nitrógeno como el dopaje con oxígeno mejoraron la eficiencia de manera casi idéntica, pero debido a que el dopaje con oxígeno es mucho más simple y menos costoso, Lechner dijo que se considera la opción más atractiva para futuras cavidades SRF.
"El análisis topográfico sugiere que en las cavidades dopadas con oxígeno deberían poder alcanzarse campos máximos más altos con un proceso significativamente más sencillo y económico", afirmó Lechner.
El laboratorio continúa haciendo buen uso del análisis desarrollado para este estudio, aplicándolo a otros materiales de interés para aplicaciones SRF, afirmó Lechner.
Mientras tanto, el equipo continúa avanzando hacia su objetivo de perfeccionar su kit de herramientas y su modelo de cómo los diferentes aspectos de la preparación de la superficie de la cavidad afectan el rendimiento del acelerador. En esencia, están buscando cómo adaptar de forma económica la capa superficial superior de 1 micrón de espesor de las cavidades del acelerador para cumplir con confianza los requisitos de rendimiento de futuras aplicaciones.
"Esa es la clave aquí:no sólo encontrar una receta que funcione, sino comprender lo que está sucediendo para que tengamos el conocimiento suficiente para poder adaptarla", dijo Reece. "Conseguir una superficie que sabes que va a ser buena es la gallina de los huevos de oro. Necesitamos menos calor y campos más altos, de forma fiable".
Más información: Eric M. Lechner et al, Evolución topográfica del Nb tratado térmicamente tras el electropulido para aplicaciones de RF superconductoras, Vigas y aceleradores de revisión física (2023). DOI:10.1103/PhysRevAccelBeams.26.103101
Proporcionado por el Fondo del Acelerador Nacional Thomas Jefferson
