Gli scienziati dell’acceleratore presso la Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti hanno guidato questo processo di perfezionamento. Basandosi su decenni di apprendimento empirico, stanno catalogando come sono realizzati i componenti dell'acceleratore di particelle, com'è la microrugosità della superficie e come tutto ciò influisce sulle prestazioni dei componenti. Il loro obiettivo finale è un metodo funzionale per indagare e prevedere le prestazioni finali di un acceleratore di particelle in base alla ricetta specifica utilizzata per preparare le sue parti.

"Stiamo cercando di trovare un modo per comprendere le diverse cose che stanno accadendo e poi con quella comprensione creare un processo che è molto intenzionale", ha spiegato Charles Reece, un fisico senior degli acceleratori che si è ritirato dall'SRF Institute del Jefferson Lab l'anno scorso. /P>

Ora, il team ha studiato diversi trattamenti superficiali rappresentativi per testare la loro metodologia. Hanno scoperto che non solo prevede con successo le prestazioni, ma indica anche trattamenti superficiali ancora migliori non ancora testati su larga scala. I risultati vengono visualizzati in Acceleratori e travi di revisione fisica .

Preparazione della superficie del niobio

La spina dorsale di essenzialmente tutti gli acceleratori di particelle avanzati sono strutture chiamate cavità a radiofrequenza, che sono tipicamente costituite dal niobio metallico. Quando sottoraffreddate a temperature vicine allo zero assoluto, le cavità del niobio diventano superconduttrici. Questa tecnologia è l'unico modo per costruire acceleratori di particelle su larga scala ed efficienti dal punto di vista energetico.

Per decenni, gli scienziati degli acceleratori hanno creduto che le migliori cavità superconduttrici a radiofrequenza (SRF) fossero costituite dal niobio più puro con superfici prive di contaminanti. Il CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility) del Jefferson Lab, ad esempio, è costruito con cavità di niobio puro. CEBAF è una struttura utente dell'Office of Science che funge da centro di ricerca per oltre 1.900 fisici nucleari in tutto il mondo.

In anni più recenti, tuttavia, i ricercatori del DOE hanno scoperto che un po' di contaminante, ad esempio l'azoto, depositato sulla superficie del niobio potrebbe migliorare le prestazioni di una cavità producendo ancora meno calore. Questo processo di "doping con azoto" è stato scoperto presso il Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) del DOE. Il processo migliora le prestazioni diffondendo un po' di gas azoto nella superficie del materiale niobio.

Le prestazioni con i trattamenti iniziali di doping con azoto sono state così elevate che è stato scelto due volte per aggiornare il laser a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del DOE in California. Fermilab ha condotto una collaborazione tra più laboratori per stabilire rapidamente nuovi standard per i materiali e i metodi di lavorazione utilizzati per tali acceleratori ad alta efficienza.

"Questi due progetti utilizzano entrambi il doping con azoto, ma due ricette diverse. Ed è stato osservato che la distribuzione dei campi di picco che le cavità potevano raggiungere ora era diversa tra le due ricette. E quindi la domanda è:perché?" ha detto Reece.

I due progetti che aggiornano l'LCLS sono LCLS-II e LCLS-II-HE. Il progetto LCLS-II è stato un aggiornamento pluriennale da 1,1 miliardi di dollari che ha aggiunto i primi componenti SRF alla macchina. Questo aggiornamento alla tecnologia dell’acceleratore SRF consente al laser di produrre fino a un milione di impulsi di raggi X al secondo, 8.000 volte di più rispetto al suo predecessore. LCLS-II-HE sta aggiungendo ulteriori componenti SRF per raddoppiare l'energia di LCLS-II. Energie più elevate consentiranno alla macchina di produrre raggi X più brevi e di accedere a ulteriori dati scientifici.

Grazie alla partecipazione di Jefferson Lab ai due diversi progetti di aggiornamento per LCLS, il team disponeva di numerose informazioni sulle tecniche di preparazione utilizzate, nonché sui risultati dei test sulle prestazioni dei componenti.

"C'è una differenza nel gradiente di accelerazione del picco finale, a seconda del processo di drogaggio dell'azoto", ha affermato Eric Lechner, scienziato dello staff del Jefferson Lab che ha guidato l'attività di test. "Volevamo dare un'occhiata a come la rugosità superficiale è diversa tra questi processi e confrontarla con le prestazioni misurate in queste cavità."

Indagine sulla rugosità superficiale

Lo studio si è concentrato sugli effetti dell'elettrolucidatura sequenziale sui campioni di niobio drogato con azoto. Dopo il drogaggio, i campioni vengono elettrolucidati per rimuovere gli strati esterni dalla superficie della cavità. L'elettrolucidatura rimuove la contaminazione superficiale e leviga la superficie della cavità.

Il team aveva già sviluppato un metodo per produrre campioni standardizzati e sottoporli a un'elettrolucidatura controllata. Avevano assemblato un nuovo kit di strumenti con cui misurare e analizzare la topografia della superficie per stimarne l'impatto sulle prestazioni. Questi strumenti includono la microscopia elettronica a scansione, la spettrometria di massa degli ioni secondari, la microscopia a forza atomica e la diffrazione della retrodiffusione degli elettroni.

Nel processo di drogaggio con azoto, il niobio viene esposto al gas azoto per due minuti a 800 gradi Celsius e, in alcuni casi, ulteriormente ricotto o trattato termicamente sotto vuoto alla stessa temperatura. Durante il processo, sulla superficie si formano nitruri di niobio che devono essere rimossi chimicamente per ripristinare buone prestazioni RF.

Il team ha riprodotto tali processi sui campioni controllati e poi ha studiato le superfici trattate con il proprio kit di strumenti per vedere come si è evoluta la topografia.

Il team ha scoperto che le differenze erano particolarmente visibili ai confini dei grani di niobio. Questi bordi di grano si formano quando il niobio metallico utilizzato per produrre le cavità viene trasformato in lingotti o fogli. Il niobio viene prima fuso e, mentre si raffredda, si formano i singoli cristalli del metallo. I confini di questi singoli cristalli sono i confini dei grani che possono essere visibili ad occhio nudo e al microscopio.

Ciò che hanno scoperto nei loro campioni è che oltre al gas benefico azoto introdotto nella superficie del niobio durante il processo di drogaggio, si sono formati anche grandi cristalli di composti di nitruro che si sono aggregati preferenzialmente in corrispondenza di alcuni bordi granulari del niobio durante il processo di ricottura. /P>

"È il gas all'interno del niobio che fa cose buone. I cristalli di composti di nitruro sulla superficie sono davvero una brutta notizia, quindi dobbiamo rimuoverli", ha spiegato Reece.

Quei cristalli di nitruro sono stati rimossi durante l'elettrolucidatura, ma hanno lasciato profondi solchi triangolari in cui erano cresciuti. Tali solchi amplificano efficacemente il campo magnetico locale, limitando quanto "forte" può essere alzato il campo di accelerazione utile.

"Quindi sospettiamo che ciò sia dovuto a un processo chiamato maturazione di Ostwald, in cui i nitruri tendono ad aggregarsi durante il processo di ricottura, formando nitruri più grandi che sono più profondi. E poi, durante il processo di elettrolucidatura, quella cavità più profonda viene attaccata preferenzialmente. Quindi , si ha un solco più profondo e più affilato. Profondo e affilato sono due qualità di rugosità superficiale che sono dannose per le prestazioni," ha chiarito Lechner.

Un'elettrolucidatura eccessiva per rimuovere i nitruri cristallini e alleviare le scanalature potrebbe anche rimuovere il benefico gas azoto che effettivamente ha contribuito a migliorare le prestazioni.

"La nostra analisi topografica concorda bene con l'andamento delle prestazioni osservato nel progetto di ricerca e sviluppo LCLS-II HE, nonché con le prestazioni di produzione di cavità per LCLS-II e LCLS-II HE, che avevano diversi processi di drogaggio con azoto", ha aggiunto Lechner.

Il team ha evidenziato che il niobio che produceva le massime prestazioni sul campo più elevate era più fluido.

Qual ​​è il prossimo passo?

Ma l'azoto non è l'unico contaminante che sembra promettente nel migliorare le prestazioni dei CSS.

Le attività di ricerca e sviluppo del Fermilab hanno dimostrato che il trattamento termico delle cavità del niobio a ~300 °C utilizzando un apparato riscaldante unico ha prodotto prestazioni RF simili al drogaggio con azoto.

Basandosi su questi risultati, i ricercatori della High Energy Accelerator Research Organization, nota come KEK, in Giappone e dell'Istituto cinese di fisica delle alte energie, hanno scoperto che stavano ottenendo efficienze simili al doping con azoto con un processo molto più semplice:cuocevano cavità a distanze molto lontane. temperature più basse nei forni a vuoto standard:da 300 a 400 ^o circa Celsius, non ha aggiunto gas azoto, ha semplicemente risciacquato le cavità e ha saltato l'elettrolucidatura.

Gli scienziati del Jefferson Lab e altri erano così incuriositi da questa premessa che Reece ha avviato un'indagine sul processo.

Lui, Ari Palczewski, Lechner e Jonathan Angle, allora studente laureato alla Virginia Tech, sospettavano che l'ossigeno fosse il principale contaminante nel nuovo metodo. La loro ricerca ha quantificato questo processo sia sperimentalmente che teoricamente, confermando che l’ossigeno era l’additivo. Durante la cottura, l'ossido nativo del niobio si scioglieva e diffondeva uniformemente gli atomi di ossigeno sulla sua superficie.

"Si tratta quindi di doping con ossigeno e non di azoto. Può essere eseguito con un processo molto più semplice. E questo è uno dei tipi di campioni di cui ci siamo occupati", ha affermato Reece.

Sia il doping con azoto che quello con ossigeno hanno migliorato l'efficienza in modo quasi identico, ma poiché il doping con ossigeno è molto più semplice e meno costoso, Lechner ha affermato che è considerato l'opzione più interessante per le future cavità SRF.

"L'analisi topografica suggerisce che campi di picco più elevati dovrebbero essere ottenibili nelle cavità drogate con ossigeno con un processo significativamente più semplice ed economico", ha affermato Lechner.

Il laboratorio continua a fare buon uso dell'analisi sviluppata per questo studio, applicandola ad altri materiali di interesse per le applicazioni SRF, ha affermato Lechner.

Nel frattempo, il team continua a muoversi verso l’obiettivo di mettere a punto il proprio kit di strumenti e il modello di come i diversi aspetti della preparazione della superficie della cavità influiscono sulle prestazioni dell’acceleratore. In sostanza, stanno cercando come personalizzare in modo economico lo strato superficiale superiore delle cavità dell'acceleratore, spesso 1 micron, per soddisfare con sicurezza i requisiti prestazionali delle applicazioni future.

"Questa è la cosa fondamentale qui:non solo trovare una ricetta che funzioni, ma capire cosa sta succedendo in modo da essere abbastanza informati da poterla personalizzare", ha detto Reece. "Ottenere una superficie che sai sarà buona:questa è la gallina dalle uova d'oro. Abbiamo bisogno sia di meno calore che di campi più alti, in modo affidabile."