Att piska upp partikelacceleratorstrukturer i världsklass har länge varit en process som liknar att följa ett favoritrecept. Många av de bäst presterande proverna förbereds med hjälp av processer som utvecklats genom försök och misstag under årtionden av erfarenhet. Men nyligen, acceleratorforskare har förstärkt denna empiriska inställning till vetenskap med mer teoretisk input. Nu, deras ansträngningar börjar ge resultat.

Acceleratorforskare vid det amerikanska energidepartementets Thomas Jefferson National Accelerator Facility har utvecklat en modell för en billigare och enklare förberedelsemetod för att få bättre prestanda från partikelacceleratorer. Ytterligare, preliminära tester av den nya modellen visar att den snart kan ge forskare möjligheten att förutsäga den bästa materialberedningsmetoden för specifika prestationsmål. Resultaten från denna studie publicerades nyligen i Bokstäver i tillämpad fysik .

Bygga effektiva acceleratorer

Många av dagens avancerade partikelacceleratorer använder supraledande radiofrekvensteknik, eller SRF-teknik. Dessa acceleratorer drivs av speciellt formade strukturer som kallas acceleratorkaviteter. Hålrum är vanligtvis gjorda av en metall som kallas niob. När den kyls till kryogena temperaturer, niobacceleratorhåligheter blir supraledande, så att de kan lagra stora mängder radiofrekvent energi för att accelerera partiklar.

Man trodde en gång att niobacceleratorhåligheter fungerade bäst om de var gjorda av den renaste niobmetallen och hade den renaste, föroreningsfri yta. Dock, flera nya studier har visat att tillsats av specifika element till en kavitets yta kan bidra till att öka dess effektivitet.

Specifikt, Inledande forskning vid DOE:s Fermi National Accelerator Laboratory upptäckte att tillsats av kväve till ytan av niobacceleratorkomponenter gör dem mer effektiva. De starka empiriska resultaten från efterföljande kollaborativa tester övertygade chefer för uppgraderingen av Linac Coherent Light Source att anta denna process, som de kallade "kvävedopning". LCLS finns vid DOE:s SLAC National Accelerator Lab i Menlo Park, Ca.

Kvävedopning

Kvävedopningshålrum, dock, kan vara en komplicerad process. De sista beredningsstegen i ett typiskt recept inkluderar att bränna dem i en ren ugn vid cirka 800 ℃ (cirka 1, 500℉) i timmar med tillsats av lite kvävgas under de senaste minuterna, skölja av dem med en högtrycksström av ultrarent vatten, och sedan utsätta hålrummen för en noggrant kontrollerad syrabehandling som kallas elektropolering som i huvudsak avlägsnar tunna lager av mycket förlustgivande material från ytan. Efter ytterligare en sköljning, hålrummen är redo att testas för att fastställa deras effektivitet.

Denna långa och involverade process har gett utmärkta resultat i tester som krävs för det projektet. Men, Vetenskapen om hur preparatet förbättrade prestandan - vilka fysiska förändringar det framkallar i en kavitets yta och hur det gav den önskade effekten - förblev tvetydig. Okänd var också hur justering av vissa delar av processen skulle förbättra eller begränsa acceleratorns kavitets prestanda.

Under 2019, Jefferson Labs personalforskare Ari Palczewski ville ändra på det. Han fick ett DOE Early Career Award från Office of Nuclear Physics för att utveckla en teoretisk modell av hur olika bearbetningssteg motsvarar förväntad prestanda i acceleratorkaviteter som har dopats med kväve.

Palczewski tog ett multidisciplinärt förhållningssätt till forskningen. Han tog med sig Eric Lechner som postdoktor vid Jefferson Labs SRF Institute. Lechner tillämpar teoretisk expertis på projektet. Han började med att dekonstruera mekaniken för hur kvävedopningsrecept förändrar ytan på niob.

"Det som i grund och botten händer är att du låter vissa föroreningar komma in i ytan av niob, som utgör dina SRF-acceleratorhåligheter. Vi pratar bara några mikrometer eller så. Detta förbättrar supraledarens egenskaper, " förklarade Lechner.

Han analyserade förberedda prover med Jonathan Angle, en doktorand i materialvetenskap och ingenjörsprogrammet vid Virginia Tech. Angle använde en teknik som kallas sekundär jonmasspektrometri för att skanna ytan och djupet av materialet för att karakterisera hur kvävet fördelades i nioben genom olika beredningstekniker.

Från kväve till syre

Även om denna forskning fortskred väl, teamet fick snart skäl att byta växel.

Forskare vid High Energy Accelerator Research Organization (KEK) i Japan började rapportera effektivitetsvinster som konkurrerar med kvävedopade acceleratorkaviteter från kaviteter som hade fått en mycket mindre betungande bearbetningsmetod. Väsentligen, KEK-forskarna hade bakat håligheter i en ugn vid mycket lägre temperaturer – vid bara 300–400 ℃ – och sedan helt enkelt sköljt av hålrummen och testat dem. Dessa resultat fascinerade acceleratorforskarna vid Jefferson Lab.

Ytterligare, det tidiga karriärprojektet som hade fokuserats på kvävedopning närmade sig sitt slut med Palczewskis avgång, som hade gått vidare med olika utmaningar inom industrin.

Charlie Reece, en senior acceleratorfysiker vid SRF-institutet, gjorde sedan ett förslag till forskningslinjen för att fokusera på den lovande alternativa beredningsprocessen.

Lechner och Angle började arbeta med att förbereda hålrum med den enklare processen. De analyserade sedan hålrummens ytor.

"Jonathan och jag undersökte det med den sekundära jonmasspektrometritekniken. Och det var här vi hade fått reda på att den huvudsakliga föroreningen i det här fallet var syre snarare än kväve, så det spelade en liknande roll för att förbättra prestandan, " sa Lechner.

Han sa att syret kommer från ytan av själva nioben. Det beror på att oxider, som främst innehåller syreatomer, bildas alltid på metallytan vid exponering för luft.

"När du värmer upp det, oxiden börjar lösas upp, och syret som frigörs under denna process slutar med att lösas upp i ytan av niob i en diffusionsprocess, " förklarade Lechner.

Resultatet är en ny, tunt ytskikt bestående av en niob-syrelegering. Och eftersom syret kommer från oxider som finns naturligt på varje yta i kaviteten, syret diffunderar jämnt in i varje skrymsle och vrår.

"Enkelt uttryckt, denna process är enklare, billigare, och fungerar på vilken geometri eller design som helst av acceleratorns kavitet, " sa Reece.

Teori skiner ett ljus

"Mycket av ansträngningen bakom detta arbete var att försöka förstå mekanismen bakom införandet av syre i ytan. Det finns inte så många modeller där ute som förutsäger vad som händer när du bakar en hålighet i detta temperaturintervall, " sa Lechner.

Men en modell som stack ut kom från en annan av Jefferson Labs egna forskare:Gigi Ciovati. Under arbetet med sin doktorsexamen. avhandling 2006, Ciovati hade utvecklat en teoretisk modell för nioboxidupplösning och syrediffusion för att förklara migrationen av syre vid temperaturer runt 100-200 ℃.

"Gigi hade utvecklat en ganska trevlig modell som förklarade denna effekt, " Lechner kommenterade. "Denna modellering låter dig utveckla en syreprofil i ytan som är anpassningsbar, så du kan försöka ta fram ett uppvärmningsrecept för att förbättra kvalitetsfaktorn [hur väl kaviteten presterar] optimalt. Och även, du kanske kan konstruera en syreprofil som förbättrar den maximala accelerationsgradienten i kaviteten, som talar om hur mycket energi du kan lagra där inne."

Dock, just då, Ciovati hade inte tillgång till den sekundära jonmasspektrometritekniken för att verifiera vad som hände mellan niob och syre vid ytan. Lechner och Angle kunde använda Ciovatis modell och vad de lärde sig från sekundär jonmasspektrometri för att tillämpa modellen på sina nya prover.

Denna fas av arbetet syftade till att ta den analytiska modell som Ciovati hade utvecklat och använda den för att bygga en ny numerisk modell som skulle göra det möjligt för acceleratorbyggare att finjustera sina recept för att uppnå effektivare acceleratorkaviteter.

"Nu, vi försöker utveckla en numerisk modell som hjälper oss att skräddarsy en profil nära ytan så att den optimerar kvalitetsfaktorn och accelerationsfältet, " sa Lechner.

Om det lyckas, den nya modellen kommer att göra det möjligt för acceleratorbyggare att med säkerhet ringa upp det optimala receptet för den effektivitetsförbättring de behöver. Detta skulle, för första gången, möjliggör anpassning av acceleratorstrukturens beredningsrecept utan onödig tid som går förlorad för blinda försök och misstag.

"Målet med denna forskning är att öppna fönstret till förutsägbarhet. Vi vill konstruera processen på ett genomtänkt sätt, så att vi framgångsrikt kan konstruera processen som på ett tillförlitligt sätt ger oss det önskade resultatet, " sa Reece.

Lechner sa att teamet redan får lovande resultat från den nya modellen, men föreslår att förbättringar av modelleringen fortfarande kan göras.

"Detta är fortfarande ett pågående arbete. Vi funderar på att testa den här modellen nu, " han lade till.

De första resultaten publicerades nyligen i Bokstäver i tillämpad fysik och erkänts som anmärkningsvärt genom urval som ett Editors Pick-bidrag.