Wetenschap
Gladdere oppervlakken zorgen voor betere versnellers
Met elke nieuwe deeltjesversneller die voor onderzoek wordt gebouwd, hebben wetenschappers de kans om de grenzen van hun ontdekkingen te verleggen. Maar dit is alleen waar als nieuwe deeltjesversnellers de gewenste prestaties leveren – geen geringe prestatie in een wereld waar elke nieuwe machine een primeur in zijn soort is. Bij elke projectmogelijkheid proberen onderzoekers de voorbereidingsmethoden van de belangrijkste componenten te verfijnen om zo een "betere prijs-kwaliteitverhouding" te krijgen.
Acceleratorwetenschappers van de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben leiding gegeven aan dat verfijningsproces. Voortbouwend op decennia van empirisch leren catalogiseren ze hoe componenten van deeltjesversnellers worden gemaakt, hoe de microruwheid van het oppervlak is en hoe dit alles de prestaties van de componenten beïnvloedt. Hun uiteindelijke doel is een functionele methode voor het onderzoeken en voorspellen van de uiteindelijke prestaties van een deeltjesversneller op basis van het specifieke recept dat wordt gebruikt om de onderdelen te bereiden.
"We proberen een manier te vinden om de verschillende dingen die er gaande zijn te begrijpen en met dat inzicht vervolgens een proces in gang te zetten dat zeer opzettelijk is", legt Charles Reece uit, een senior versnellerfysicus die vorig jaar met pensioen ging bij het SRF Institute van Jefferson Lab. /P>
Nu heeft het team verschillende representatieve oppervlaktebehandelingen onderzocht om hun methodologie te testen. Ze hebben ontdekt dat het niet alleen met succes de prestaties voorspelt, maar ook wijst op nog betere oppervlaktebehandelingen die nog niet op grote schaal zijn getest. De resultaten verschijnen in Physical Review Accelerators and Beams .
Voorbehandeling van niobiumoppervlak
De ruggengraat van vrijwel alle geavanceerde deeltjesversnellers zijn structuren die radiofrequentieholtes worden genoemd en die doorgaans zijn gemaakt van het metaal niobium. Wanneer niobiumholten worden onderkoeld tot temperaturen nabij het absolute nulpunt, worden ze supergeleidend. Deze technologie is de enige manier om energie-efficiënte, grootschalige deeltjesversnellers te bouwen.
Tientallen jaren lang geloofden versnellerwetenschappers dat de beste supergeleidende radiofrequentie (SRF) holtes gemaakt waren van het zuiverste niobium met oppervlakken vrij van verontreinigingen. De Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) van Jefferson Lab is bijvoorbeeld gebouwd met pure niobiumholtes. CEBAF is een gebruikersfaciliteit van het Office of Science die dient als onderzoekscentrum voor meer dan 1.900 kernfysici wereldwijd.
In recentere jaren ontdekten DOE-onderzoekers echter dat een beetje verontreiniging, bijvoorbeeld stikstof, dat op het oppervlak van niobium werd gebakken, de prestaties van een holte kon verbeteren door nog minder warmte te produceren. Dit proces van "stikstofdoping" werd ontdekt in het Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) van DOE. Het proces verbetert de prestaties door een beetje stikstofgas in het niobiummateriaaloppervlak te verspreiden.
De prestaties bij de initiële stikstofdopingbehandelingen waren zo sterk dat er twee keer voor werd gekozen voor het upgraden van de Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser in het SLAC National Accelerator Laboratory van DOE in Californië. Fermilab leidde een samenwerking tussen meerdere laboratoria om snel nieuwe normen vast te stellen voor het materiaal en de verwerkingsmethoden die voor dergelijke hoogefficiënte versnellers worden gebruikt.
"Deze twee projecten gebruiken beide stikstofdoping, maar twee verschillende recepten. En er werd waargenomen dat de verdeling van de piekvelden die de holtes konden bereiken nu verschillend was tussen de twee recepten. En dus is de vraag waarom?" zei Reece.
De twee projecten die de LCLS upgraden zijn LCLS-II en LCLS-II-HE. Het LCLS-II-project was een meerjarige upgrade van $ 1,1 miljard waarbij de eerste SRF-componenten aan de machine werden toegevoegd. Dankzij deze upgrade naar de SRF-versnellertechnologie kan de laser tot een miljoen röntgenpulsen per seconde produceren, 8.000 keer meer dan zijn voorganger. LCLS-II-HE voegt extra SRF-componenten toe om de energie van LCLS-II te verdubbelen. Hogere energieën zullen het mogelijk maken dat de machine kortere röntgenstralen produceert en toegang krijgt tot aanvullende wetenschap.
Dankzij de deelname van Jefferson Lab aan de twee verschillende upgradeprojecten voor LCLS beschikte het team over een schat aan informatie over de gebruikte voorbereidingstechnieken en over de resultaten van de prestatietests van componenten.
"Er is een verschil in de uiteindelijke piekversnellingsgradiënt, afhankelijk van het stikstofdopingproces", zegt Eric Lechner, stafwetenschapper van het Jefferson Lab die de testinspanningen leidde. "We wilden kijken hoe de oppervlakteruwheid verschilt tussen deze processen en dat vergelijken met de prestaties gemeten in deze holtes."
Onderzoek naar oppervlakteruwheid
De studie concentreerde zich op de effecten van sequentieel elektrolytisch polijsten op de met stikstof gedoteerde niobiummonsters. Na dotering worden de monsters elektrolytisch gepolijst om de buitenste lagen van het oppervlak van de holte te verwijderen. Elektrolytisch polijsten verwijdert oppervlaktevervuiling en maakt het oppervlak van de caviteit glad.
Het team had al een methode ontwikkeld om gestandaardiseerde monsters te produceren en deze aan een gecontroleerde elektrolytische behandeling te onderwerpen. Ze hadden een nieuwe toolkit samengesteld waarmee ze oppervlaktetopografie konden meten en analyseren om de impact ervan op de prestaties te schatten. Deze hulpmiddelen omvatten scanning-elektronenmicroscopie, secundaire ionenmassaspectrometrie, atoomkrachtmicroscopie en elektronen-terugverstrooiingsdiffractie.
Bij het stikstofdoteringsproces wordt het niobium gedurende twee minuten bij 800 graden Celsius blootgesteld aan stikstofgas en in sommige gevallen verder uitgegloeid of hittebehandeld in een vacuüm bij diezelfde temperatuur. Tijdens het proces vormen zich niobiumnitriden op het oppervlak en moeten chemisch worden verwijderd om goede RF-prestaties te herstellen.
Het team reproduceerde deze processen op hun gecontroleerde monsters en onderzocht vervolgens de behandelde oppervlakken met hun toolkit om te zien hoe de topografie zich gedurende de hele periode ontwikkelde.
Het team ontdekte dat de verschillen vooral zichtbaar waren aan de grenzen van de niobiumkorrels. Deze korrelgrenzen worden gevormd wanneer het niobiummetaal dat wordt gebruikt om de holtes te produceren, tot blokken of platen wordt verwerkt. Het niobium wordt eerst gesmolten en terwijl het afkoelt, vormen zich individuele kristallen van het metaal. De grenzen van deze individuele kristallen zijn de korrelgrenzen die met het blote oog en door een microscoop zichtbaar kunnen zijn.
Wat ze in hun monsters ontdekten, was dat naast het nuttige stikstofgas dat tijdens het doteringsproces in het oppervlak van het niobium werd geïntroduceerd, er ook grote kristallen van nitrideverbindingen werden gevormd en bij voorkeur samenklonterden op sommige korrelgrenzen van het niobium tijdens het uitgloeiproces. /P>
"Het is dat gas in het niobium dat de goede dingen doet. De kristallen van de nitrideverbindingen aan de oppervlakte zijn echt slecht nieuws, dus we moeten ze verwijderen", legt Reece uit.
Deze nitridekristallen werden verwijderd tijdens het elektrolytisch polijsten, maar lieten diepe driehoekige groeven achter waarin ze waren gegroeid. Dergelijke groeven versterken effectief het lokale magnetische veld, waardoor wordt beperkt hoe "luid" het nuttige versnellingsveld kan worden verhoogd.
"Dus we vermoeden dat dit te wijten is aan een proces dat Ostwald-rijping wordt genoemd, waarbij nitriden de neiging hebben om samen te klonteren tijdens het gloeiproces, waardoor grotere nitriden worden gevormd die dieper zijn. En dan, tijdens het elektropolijstproces, wordt dat diepere trog bij voorkeur aangevallen." "Je hebt een diepere en scherpere groef. Diep en scherp zijn twee eigenschappen van oppervlakteruwheid die slecht zijn voor de prestaties," verduidelijkte Lechner.
Te veel elektrolytisch polijsten om de kristalnitriden te verwijderen en de groeven te verminderen, kan ook het nuttige stikstofgas verwijderen dat daadwerkelijk heeft bijgedragen aan het verbeteren van de prestaties.
"Onze topografische analyse komt goed overeen met de prestatietrend die werd waargenomen in het LCLS-II HE R&D-project, evenals met de prestaties van de caviteitsproductie voor LCLS-II en LCLS-II HE, die verschillende stikstofdoteringsprocessen hadden", voegde Lechner eraan toe.
P>Het team benadrukte dat het niobium dat de hogere maximale veldprestaties opleverde, soepeler was.
Wat is het volgende?
Maar stikstof is niet de enige verontreiniging die veelbelovend is in het verbeteren van de SRF-prestaties.
Onderzoek en ontwikkeling bij Fermilab toonden aan dat de warmtebehandeling van niobiumholtes bij ~300 °C met behulp van een uniek verwarmingsapparaat RF-prestaties opleverde die vergelijkbaar zijn met stikstofdoping.
Voortbouwend op deze resultaten ontdekten onderzoekers van de High Energy Accelerator Research Organization – bekend als KEK – in Japan en het Chinese Institute of High Energy Physics dat ze met een veel eenvoudiger proces een efficiëntie bereikten die vergelijkbaar was met stikstofdoping:ze bakten gaatjes op grote afstand. lagere temperaturen in standaard vacuümovens:ongeveer 300 tot 400 o Celsius, geen stikstofgas toegevoegd, daarna gewoon de gaatjes afgespoeld en het elektrolytisch polijsten overgeslagen.
Wetenschappers van Jefferson Lab en anderen waren zo geïntrigeerd door dit uitgangspunt dat Reece een onderzoek naar het proces startte.
Hij, Ari Palczewski, Lechner en Jonathan Angle, destijds een afgestudeerde student aan Virginia Tech, vermoedden dat zuurstof de belangrijkste verontreinigende stof in de nieuwe methode was. Hun onderzoek kwantificeerde dit proces zowel experimenteel als theoretisch, en bevestigde dat zuurstof het additief was. Tijdens het bakken loste het natuurlijke oxide van niobium op en verspreidde zuurstofatomen gelijkmatig in het oppervlak.
"Dit is dus zuurstofdoping in tegenstelling tot stikstofdoping. Het kan met een veel eenvoudiger proces worden gedaan. En dat is dus een van de soorten monsters die we hebben onderzocht", aldus Reece.
Zowel stikstofdoping als zuurstofdoping verbeterden de efficiëntie vrijwel identiek, maar omdat zuurstofdoping veel eenvoudiger en goedkoper is, zei Lechner dat het als de aantrekkelijkere optie voor toekomstige SRF-holten wordt beschouwd.
"De topografische analyse suggereert dat hogere piekvelden haalbaar zouden moeten zijn in de met zuurstof gedoteerde holtes met een aanzienlijk eenvoudiger en goedkoper proces", aldus Lechner.
Het laboratorium blijft goed gebruik maken van de analyse die voor dit onderzoek is ontwikkeld en past deze toe op andere materialen die van belang zijn voor SRF-toepassingen, aldus Lechner.
In de tussentijd blijft het team op weg naar hun doel:het verfijnen van hun toolkit en model van hoe verschillende aspecten van de voorbereiding van het caviteitsoppervlak de prestaties van de versneller beïnvloeden. In wezen zijn ze op zoek naar een manier om de bovenste 1 micron dikke oppervlaktelaag van de versnellerholten op een economische manier aan te passen, zodat ze met vertrouwen kunnen voldoen aan de prestatie-eisen van toekomstige toepassingen.
"Dat is hier het belangrijkste:niet alleen het vinden van een recept dat toevallig werkt, maar ook begrijpen wat er aan de hand is, zodat we voldoende kennis hebben om het op maat te kunnen maken," zei Reece. "Om een oppervlak te krijgen waarvan je weet dat het goed zal zijn, dat is de gouden gans. We hebben zowel minder hitte als hogere velden nodig."