Realizzare strutture di acceleratori di particelle di livello mondiale è stato a lungo un processo simile a seguire una ricetta preferita. Molti dei campioni più performanti vengono preparati utilizzando processi sviluppati attraverso prove ed errori in decenni di esperienza. Ma recentemente, gli scienziati degli acceleratori hanno potenziato questo approccio empirico alla scienza con ulteriori input teorici. Ora, i loro sforzi cominciano a dare i loro frutti.

Gli scienziati degli acceleratori presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno sviluppato un modello per un metodo di preparazione più economico e più semplice per ottenere prestazioni migliori dagli acceleratori di particelle. Ulteriore, i test preliminari del nuovo modello mostrano che potrebbe presto fornire agli scienziati la capacità di prevedere il miglior metodo di preparazione del materiale per obiettivi prestazionali specifici. I risultati di questo studio sono stati recentemente pubblicati in Lettere di fisica applicata .

Costruire acceleratori efficienti

Molti degli acceleratori di particelle avanzati odierni utilizzano la tecnologia a radiofrequenza superconduttiva, o tecnologia SRF. Questi acceleratori sono alimentati da strutture appositamente sagomate chiamate cavità acceleratrici. Le cavità sono tipicamente costituite da un metallo chiamato niobio. Quando raffreddato a temperature criogeniche, le cavità dell'acceleratore di niobio diventano superconduttrici, consentendo loro di immagazzinare grandi quantità di energia a radiofrequenza per accelerare le particelle.

Una volta si pensava che le cavità degli acceleratori di niobio funzionassero meglio se fossero fatte del metallo di niobio più puro e avessero il più pulito, superficie priva di contaminanti. Però, diversi studi recenti hanno indicato che l'aggiunta di elementi specifici alla superficie di una cavità potrebbe contribuire ad aumentarne l'efficienza.

Nello specifico, la ricerca iniziale presso il Fermi National Accelerator Laboratory del DOE ha scoperto che l'aggiunta di azoto alla superficie dei componenti dell'acceleratore al niobio li rende più efficienti. I forti risultati empirici dei successivi test collaborativi hanno convinto i manager per l'aggiornamento della Linac Coherent Light Source ad adottare questo processo, che chiamavano "doping azotato". Il LCLS si trova presso lo SLAC National Accelerator Lab del DOE a Menlo Park, Circa.

Doping azotato

cavità di drogaggio di azoto, però, può essere un processo complicato. Le fasi finali della preparazione di una ricetta tipica includono la cottura in un forno perfettamente pulito a circa 800 (circa 1, 500℉) per ore con aggiunta di un po' di azoto negli ultimi minuti, risciacquandoli con un getto ad alta pressione di acqua ultrapura, e quindi sottoporre le cavità a un trattamento acido accuratamente controllato chiamato elettrolucidatura che essenzialmente rimuove sottili strati di materiale molto con perdite dalla superficie. Dopo un altro risciacquo, le cavità sono pronte per essere testate per determinarne l'efficienza.

Questo lungo e complesso processo ha prodotto ottimi risultati nei test richiesti per quel progetto. Ma, la scienza di come la preparazione migliorasse le prestazioni, quali cambiamenti fisici induce nella superficie di una cavità e come ciò producesse l'effetto desiderato, rimase ambigua. Inoltre, era sconosciuto come la messa a punto di alcune parti del processo avrebbe migliorato o limitato le prestazioni della cavità dell'acceleratore.

Nel 2019, Lo scienziato dello staff del Jefferson Lab, Ari Palczewski, ha deciso di cambiare le cose. Ha ricevuto un DOE Early Career Award dall'Office of Nuclear Physics per sviluppare un modello teorico di come le diverse fasi di elaborazione equivalgano alle prestazioni previste nelle cavità dell'acceleratore che sono state drogate con azoto.

Palczewski ha adottato un approccio multidisciplinare alla ricerca. Ha portato a bordo Eric Lechner come borsista post-dottorato presso l'Istituto SRF di Jefferson Lab. Lechner applica le competenze teoriche al progetto. Ha iniziato decostruendo la meccanica di come le ricette di drogaggio dell'azoto modificano la superficie del niobio.

"Essenzialmente ciò che sta accadendo è che permetti ad alcune impurità di entrare nella superficie del niobio, che costituisce le cavità dell'acceleratore SRF. Parliamo di pochi micrometri o giù di lì. Questo migliora le proprietà del superconduttore, " ha spiegato Lechner.

Ha analizzato i campioni preparati con Jonathan Angle, uno studente laureato nel programma di scienza e ingegneria dei materiali presso Virginia Tech. Angle ha utilizzato una tecnica chiamata spettrometria di massa di ioni secondari per scansionare la superficie e le profondità del materiale per caratterizzare il modo in cui l'azoto è stato distribuito nel niobio mediante diverse tecniche di preparazione.

Dall'azoto all'ossigeno

Mentre questa ricerca stava procedendo bene, la squadra ha presto avuto motivi per cambiare marcia.

I ricercatori della High Energy Accelerator Research Organization (KEK) in Giappone hanno iniziato a segnalare efficienze che rivaleggiano con quelle delle cavità degli acceleratori drogate con azoto da cavità che avevano ricevuto un metodo di lavorazione molto meno oneroso. Essenzialmente, i ricercatori KEK hanno cotto le cavità in una fornace a temperature molto più basse, a soli 300-400 , quindi hanno semplicemente risciacquato le cavità e le hanno testate. Questi risultati hanno incuriosito gli scienziati dell'acceleratore del Jefferson Lab.

Ulteriore, il progetto di inizio carriera che era stato incentrato sul doping azotato stava volgendo al termine con la partenza di Palczewski, che aveva continuato a perseguire diverse sfide nell'industria.

Charlie Reece, un fisico acceleratore senior presso l'Istituto SRF, quindi ha proposto che la linea di ricerca si concentri sul promettente processo di preparazione alternativo.

Lechner e Angle si sono messi al lavoro per preparare le cavità utilizzando il processo più semplice. Hanno quindi analizzato le superfici delle cavità.

"Jonathan ed io lo abbiamo studiato con la tecnica della spettrometria di massa di ioni secondari. Ed è qui che abbiamo scoperto che il contaminante principale in questo caso era l'ossigeno piuttosto che l'azoto, quindi ha svolto un ruolo simile nel migliorare le prestazioni, " ha detto Lechner.

Ha detto che l'ossigeno proviene dalla superficie del niobio stesso. Questo perché gli ossidi, che contengono principalmente gli atomi di ossigeno, si formano sempre sulla superficie del metallo con l'esposizione all'aria.

"Quando lo scaldi, l'ossido inizia a dissolversi, e l'ossigeno che viene rilasciato durante questo processo finisce per dissolversi nella superficie del niobio in un processo di diffusione, " ha spiegato Lechner.

Il risultato è un nuovo, sottile strato superficiale composto da una lega niobio-ossigeno. E poiché l'ossigeno proviene da ossidi naturalmente presenti su ogni superficie della cavità, l'ossigeno si diffonde uniformemente in ogni angolo.

"In parole povere, questo processo è più semplice, più economico, e lavora su qualsiasi geometria o disegno della cavità dell'acceleratore, " ha detto Rece.

La teoria fa luce

"Gran parte dello sforzo alla base di questo lavoro è stato cercare di capire il meccanismo alla base dell'introduzione dell'ossigeno nella superficie. Non ci sono molti modelli là fuori che prevedono cosa sta succedendo quando si cuoce una cavità in questo intervallo di temperatura, " ha detto Lechner.

Ma un modello che si è distinto è venuto da un altro dei ricercatori del Jefferson Lab:Gigi Ciovati. Mentre lavorava al suo dottorato di ricerca. tesi nel 2006, Ciovati aveva sviluppato un modello teorico sulla dissoluzione dell'ossido di niobio e la diffusione dell'ossigeno per spiegare la migrazione dell'ossigeno a temperature intorno a 100-200℃.

"Gigi aveva sviluppato un modello piuttosto carino che spiegava questo effetto, " ha commentato Lechner. "Questa modellazione consente di sviluppare un profilo di ossigeno nella superficie che è personalizzabile, quindi puoi provare a sviluppare una ricetta di riscaldamento per migliorare il fattore qualità [quanto bene la cavità si comporta] in modo ottimale. E anche, potresti essere in grado di progettare un profilo di ossigeno che migliori il gradiente di accelerazione massimo nella cavità, che ti dice quanta energia puoi immagazzinare lì dentro."

Però, al tempo, Ciovati non aveva accesso alla tecnica della spettrometria di massa di ioni secondari per verificare cosa stava succedendo tra niobio e ossigeno in superficie. Lechner e Angle sono stati in grado di utilizzare il modello di Ciovati e ciò che hanno appreso dalla spettrometria di massa di ioni secondari per applicare il modello ai loro nuovi campioni.

Questa fase del lavoro mirava a prendere il modello analitico sviluppato da Ciovati e utilizzarlo per costruire un nuovo modello numerico che consentisse ai costruttori di acceleratori di mettere a punto le loro ricette per ottenere cavità di accelerazione più efficienti.

"Ora, stiamo cercando di sviluppare un modello numerico che ci aiuti a personalizzare un profilo vicino alla superficie in modo da ottimizzare il fattore di qualità e il campo di accelerazione, " ha detto Lechner.

In caso di successo, il nuovo modello consentirà ai costruttori di acceleratori di comporre con sicurezza la ricetta ottimale per il miglioramento dell'efficienza di cui hanno bisogno. Questo sarebbe, per la prima volta, consentono la personalizzazione della ricetta di preparazione della struttura dell'acceleratore senza perdere tempo inutile per tentativi alla cieca.

"L'obiettivo di questa ricerca è aprire la finestra alla prevedibilità. Vogliamo progettare il processo in modo ponderato, in modo da poter progettare con successo il processo che ci darà in modo affidabile il risultato desiderato, " ha detto Rece.

Lechner ha affermato che il team sta già ottenendo risultati promettenti dal nuovo modello, ma suggerisce che è ancora possibile apportare miglioramenti alla modellazione.

"Questo è ancora un lavoro in corso. Stiamo cercando di testare questo modello ora, " Ha aggiunto.

I primi risultati sono stati recentemente pubblicati in Lettere di fisica applicata e riconosciuto come degno di nota per la selezione come contributo di Editors Pick.