Het opkloppen van deeltjesversnellerstructuren van wereldklasse is al lang een proces dat lijkt op het volgen van een favoriet recept. Veel van de best presterende monsters worden bereid met behulp van processen die gedurende tientallen jaren met vallen en opstaan ​​zijn ontwikkeld. Maar onlangs, versnellerwetenschappers hebben deze empirische benadering van wetenschap gestimuleerd met meer theoretische input. Nutsvoorzieningen, hun inspanningen beginnen vruchten af ​​te werpen.

Acceleratorwetenschappers van de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een model ontwikkeld voor een goedkopere en eenvoudigere voorbereidingsmethode om betere prestaties van deeltjesversnellers te krijgen. Verder, voorlopige tests van het nieuwe model laten zien dat het wetenschappers binnenkort de mogelijkheid kan bieden om de beste materiaalvoorbereidingsmethode voor specifieke prestatiedoelen te voorspellen. De resultaten van dit onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven .

Efficiënte versnellers bouwen

Veel van de huidige geavanceerde deeltjesversnellers maken gebruik van supergeleidende radiofrequentietechnologie, of SRF-technologie. Deze versnellers worden aangedreven door speciaal gevormde structuren die versnellerholten worden genoemd. Holten zijn meestal gemaakt van een metaal dat niobium wordt genoemd. Wanneer afgekoeld tot cryogene temperaturen, holtes van de niobiumversneller worden supergeleidend, waardoor ze enorme hoeveelheden radiofrequentie-energie kunnen opslaan voor het versnellen van deeltjes.

Er werd ooit gedacht dat holtes van de niobiumversneller het beste werkten als ze waren gemaakt van het zuiverste niobiummetaal en de schoonste, vuilvrij oppervlak. Echter, verschillende recente onderzoeken hebben aangetoond dat het toevoegen van specifieke elementen aan het oppervlak van een caviteit de efficiëntie kan verhogen.

specifiek, eerste onderzoek bij DOE's Fermi National Accelerator Laboratory ontdekte dat het toevoegen van stikstof aan het oppervlak van niobiumversnellercomponenten ze efficiënter maakt. De sterke empirische resultaten van daaropvolgende collaboratieve tests overtuigden managers voor de upgrade van de Linac Coherent Light Source om dit proces over te nemen, die ze "stikstofdoping" noemden. De LCLS bevindt zich in het SLAC National Accelerator Lab van DOE in Menlo Park, ca.

Stikstof doping

Stikstof doping holtes, echter, kan een ingewikkeld proces zijn. De laatste voorbereidingsstappen van een typisch recept omvatten het bakken in een onberispelijk schone oven op ongeveer 800 ℃ (ongeveer 1, 500℉) urenlang met toevoeging van een beetje stikstofgas gedurende de laatste paar minuten, afspoelen met een hogedrukstraal ultrapuur water, en vervolgens de holtes te onderwerpen aan een zorgvuldig gecontroleerde zuurbehandeling, elektropolijsten genaamd, die in wezen dunne lagen van zeer verliesgevend materiaal van het oppervlak verwijdert. Na nog een spoeling, de holtes zijn klaar om getest te worden om hun efficiëntie te bepalen.

Dit lange en ingewikkelde proces heeft uitstekende resultaten opgeleverd in de tests die nodig zijn voor dat project. Maar, de wetenschap van hoe het preparaat de prestaties verbeterde - welke fysieke veranderingen het veroorzaakt in het oppervlak van een holte en hoe dat het gewenste effect produceerde - bleef dubbelzinnig. Ook onbekend was hoe het aanpassen van bepaalde delen van het proces de prestaties van de versnellerholte zou verbeteren of beperken.

in 2019, Jefferson Lab Staff Scientist Ari Palczewski wilde dat veranderen. Hij ontving een DOE Early Career Award van het Office of Nuclear Physics om een ​​theoretisch model te ontwikkelen van hoe verschillende verwerkingsstappen overeenkomen met de verwachte prestaties in versnellerholten die zijn gedoteerd met stikstof.

Palczewski hanteerde een multidisciplinaire benadering van het onderzoek. Hij bracht Eric Lechner aan boord als postdoctoraal onderzoeker in het SRF Institute van Jefferson Lab. Lechner past theoretische expertise toe op het project. Hij begon met het deconstrueren van de mechanica van hoe stikstofdopingrecepten het oppervlak van het niobium veranderen.

"Wat er in wezen gebeurt, is dat je sommige onzuiverheden in het oppervlak van het niobium laat gaan, waaruit uw SRF-versnellerholten bestaan. We hebben het over een paar micrometer of zo. Dit verbetert de eigenschappen van de supergeleider, ’ legde Lechner uit.

Hij analyseerde voorbereide monsters met Jonathan Angle, een afgestudeerde student in het materiaalwetenschap en engineeringprogramma aan Virginia Tech. Angle gebruikte een techniek genaamd secundaire ionenmassaspectrometrie om het oppervlak en de diepten van het materiaal te scannen om te karakteriseren hoe stikstof in het niobium werd verdeeld door verschillende preparatietechnieken.

Van stikstof naar zuurstof

Hoewel dit onderzoek goed verliep, het team had al snel redenen om over te schakelen.

Onderzoekers van de High Energy Accelerator Research Organization (KEK) in Japan begonnen met het rapporteren van efficiëntieverbeteringen die wedijveren met die van met stikstof gedoteerde versnellerholtes uit holtes die een veel minder belastende verwerkingsmethode hadden ondergaan. Eigenlijk, de KEK-onderzoekers hadden holtes in een oven gebakken bij veel lagere temperaturen - op slechts 300-400 ℃ - en spoelden de holtes vervolgens eenvoudig af en testten ze. Deze resultaten intrigeerden de versnellerwetenschappers van Jefferson Lab.

Verder, het vroege carrièreproject dat was gericht op stikstofdoping liep ten einde met het vertrek van Palczewski, die was gegaan om verschillende uitdagingen in de industrie na te streven.

Charlie Reece, een senior accelerator-fysicus in het SRF Institute, deed vervolgens een voorstel voor de onderzoekslijn om zich te concentreren op het veelbelovende alternatieve bereidingsproces.

Lechner en Angle gingen aan de slag met het voorbereiden van holtes met behulp van het eenvoudigere proces. Vervolgens analyseerden ze de oppervlakken van de holtes.

"Jonathan en ik hebben het onderzocht met de secundaire ionenmassaspectrometrietechniek. Hier hadden we ontdekt dat de belangrijkste verontreiniging in dit geval zuurstof was in plaats van stikstof. dus het speelde een vergelijkbare rol bij het verbeteren van de prestaties, ' zei Lechner.

Hij zei dat de zuurstof van het oppervlak van het niobium zelf komt. Dat komt omdat oxiden, die voornamelijk de atomen van zuurstof bevatten, vormen zich altijd op het metaaloppervlak bij blootstelling aan de lucht.

"Als je het opwarmt, het oxide begint op te lossen, en de zuurstof die vrijkomt tijdens dit proces wordt uiteindelijk opgelost in het oppervlak van niobium in een diffusieproces, ’ legde Lechner uit.

Het resultaat is een nieuwe, dunne oppervlaktelaag samengesteld uit een niobium-zuurstoflegering. En omdat de zuurstof afkomstig is van oxiden die van nature aanwezig zijn op elk oppervlak van de holte, de zuurstof diffundeert gelijkmatig in alle hoeken en gaten.

"Simpel gezegd, dit proces is eenvoudiger, goedkoper, en werkt op elke geometrie of ontwerp van de versnellerholte, ' zei Reece.

Theorie schijnt een licht

"Een groot deel van de inspanning achter dit werk was om het mechanisme achter de introductie van zuurstof in het oppervlak te begrijpen. Er zijn niet zoveel modellen die voorspellen wat er gebeurt als je een holte bakt in dit temperatuurbereik, ' zei Lechner.

Maar een model dat eruit sprong, kwam van een andere van Jefferson Lab's eigen onderzoekers:Gigi Ciovati. Tijdens het werken aan zijn Ph.D. proefschrift in 2006, Ciovati had een theoretisch model ontwikkeld over het oplossen van niobiumoxide en zuurstofdiffusie om de migratie van zuurstof bij temperaturen rond 100-200℃ te verklaren.

"Gigi had een heel mooi model ontwikkeld dat dit effect verklaarde, Lechner merkte op. "Met deze modellering kun je een zuurstofprofiel ontwikkelen in het oppervlak dat aanpasbaar is, zodat u kunt proberen een verwarmingsrecept te ontwikkelen om de kwaliteitsfactor [hoe goed de ovenruimte presteert] optimaal te verbeteren. En ook, kun je misschien een zuurstofprofiel maken dat de maximale versnellingsgradiënt in de holte verbetert, die je vertelt hoeveel energie je daarin kunt opslaan."

Echter, destijds, Ciovati had geen toegang tot de secundaire ionenmassaspectrometrietechniek om te verifiëren wat er tussen niobium en zuurstof aan de oppervlakte gebeurde. Lechner en Angle konden het model van Ciovati en wat ze leerden van secundaire ionenmassaspectrometrie gebruiken om het model op hun nieuwe monsters toe te passen.

Deze fase van het werk was bedoeld om het analytische model dat Ciovati had ontwikkeld te gebruiken om een ​​nieuw numeriek model te bouwen waarmee versnellerbouwers hun recepten kunnen verfijnen om efficiëntere versnellerholten te bereiken.

"Nutsvoorzieningen, we proberen een numeriek model te ontwikkelen waarmee we een profiel dicht bij het oppervlak kunnen aanpassen, zodat het de kwaliteitsfactor en het versnellende veld optimaliseert, ' zei Lechner.

Indien succesvol, het nieuwe model stelt acceleratorbouwers in staat om vol vertrouwen het optimale recept te kiezen voor de efficiëntieverbetering die ze nodig hebben. Dit zou, Voor de eerste keer, maak aanpasbaarheid van het recept voor de voorbereiding van de versnellerstructuur mogelijk zonder onnodige tijd verloren te laten gaan aan blind vallen en opstaan.

"Het doel van dit onderzoek is om het venster naar voorspelbaarheid te openen. We willen het proces op een doordachte manier ontwikkelen, zodat we met succes het proces kunnen ontwikkelen dat ons op betrouwbare wijze het gewenste resultaat zal geven, ' zei Reece.

Lechner zei dat het team al veelbelovende resultaten behaalt met het nieuwe model, maar suggereert dat er nog steeds verbeteringen aan de modellering kunnen worden aangebracht.

"Dit is nog een werk in uitvoering. We willen dit model nu testen, " hij voegde toe.

De eerste resultaten zijn onlangs gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven en erkend als opmerkelijk door selectie als een bijdrage van Editors Pick.