Med varje ny partikelaccelerator som byggs för forskning har forskare en möjlighet att tänja på gränserna för upptäckter. Men detta är bara sant om nya partikelacceleratorer ger önskad prestanda – ingen liten bedrift i en värld där varje ny maskin är den första i sitt speciella slag. Vid varje projekttillfälle försöker forskare förfina beredningsmetoderna för nyckelkomponenter för att få "bättre valuta för pengarna."
Acceleratorforskare vid det amerikanska energidepartementets Thomas Jefferson National Accelerator Facility har lett den förfiningsprocessen. De bygger på årtionden av empiriskt lärande och katalogiserar hur partikelacceleratorkomponenter är gjorda, hur ytans mikroråhet är och hur allt detta påverkar komponenternas prestanda. Deras slutmål är en funktionell metod för att undersöka och förutsäga en partikelaccelerators slutgiltiga prestanda baserat på det specifika recept som används för att förbereda dess delar.
"Vi försöker hitta ett sätt att förstå de olika sakerna som pågår och sedan med den förståelsen skapa en process som är mycket avsiktlig", förklarade Charles Reece, en senior acceleratorfysiker som gick i pension från Jefferson Labs SRF Institute förra året.
Nu har teamet undersökt flera representativa ytbehandlingar för att testa deras metodik. De har funnit att det inte bara framgångsrikt förutsäger prestanda utan också pekar mot ännu bättre ytbehandlingar som ännu inte testats i stor skala. Resultaten visas i Physical Review Accelerators and Beams .
Ryggraden i i stort sett alla avancerade partikelacceleratorer är strukturer som kallas radiofrekvenskaviteter, som vanligtvis är gjorda av metallen niob. När den underkyls till temperaturer nära absolut noll blir niobkaviteter supraledande. Denna teknik är det enda sättet att konstruera energieffektiva, storskaliga partikelacceleratorer.
I decennier trodde acceleratorforskare att de bästa supraledande radiofrekvenskaviteterna (SRF) var gjorda av det renaste niob med föroreningsfria ytor. Jefferson Labs Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) är till exempel byggd med kaviteter av rena niob. CEBAF är en Office of Science-användaranläggning som fungerar som forskningshem för mer än 1 900 kärnfysiker världen över.
På senare år upptäckte dock forskare från DOE att lite föroreningar - till exempel kväve - bakade på niobets yta kunde förbättra en kavitets prestanda genom att göra ännu mindre värme. Denna process av "kvävedopning" upptäcktes vid DOE:s Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab). Processen förbättrar prestandan genom att diffundera lite kvävgas in i niobmaterialets yta.
Prestandan med initiala kvävedopningsbehandlingar var så stark att den valdes två gånger för att uppgradera Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser vid DOE:s SLAC National Accelerator Laboratory i Kalifornien. Fermilab ledde ett multilabbsamarbete för att snabbt etablera nya standarder för material och bearbetningsmetoder som används för sådana högeffektiva acceleratorer.
"De här två projekten använder båda kvävedopning, men två olika recept. Och det observerades att fördelningen av toppfälten som hålrummen kunde nå var olika nu mellan de två recepten. Och så frågan är varför?" sa Reece.
De två projekt som uppgraderar LCLS är LCLS-II och LCLS-II-HE. LCLS-II-projektet var en flerårig uppgradering på 1,1 miljarder dollar som lade till de första SRF-komponenterna till maskinen. Denna uppgradering till SRF-acceleratorteknik gör att lasern kan producera upp till en miljon röntgenpulser per sekund, 8 000 gånger mer än sin föregångare. LCLS-II-HE lägger till ytterligare SRF-komponenter för att fördubbla energin hos LCLS-II. Högre energier gör att maskinen kan producera kortare röntgenstrålar och få tillgång till ytterligare vetenskap.
Tack vare Jefferson Labs deltagande i de två olika uppgraderingsprojekten för LCLS hade teamet en mängd information om de förberedelsetekniker som användes, såväl som resultaten av komponentprestandatestning.
"Det finns en skillnad i den ultimata accelerationsgradienten, beroende på kvävedopningsprocessen", säger Eric Lechner, Jefferson Labs personalforskare som ledde testansträngningen. "Vi ville ta en titt på hur ytjämnheten skiljer sig mellan dessa processer och jämföra det med prestandan som mäts i dessa håligheter."
Studien fokuserade på effekterna av sekventiell elektropolering på de kvävedopade niobproverna. Efter dopning elektropoleras proverna för att avlägsna yttre skikt från kavitetsytan. Elektropolering både tar bort ytföroreningar och jämnar ut kavitetsytan.
Teamet hade redan utvecklat en metod för att producera standardiserade prover och utsätta dem för en kontrollerad elektropolering. De hade satt ihop en ny verktygslåda för att mäta och analysera yttopografi för att uppskatta dess inverkan på prestanda. Dessa verktyg inkluderar svepelektronmikroskopi, sekundär jonmasspektrometri, atomkraftsmikroskopi och elektronbackscatter-diffraktion.
I kvävedopningsprocessen utsätts nioben för kvävgas i två minuter vid 800 grader Celsius, och i vissa fall glödgas eller värmebehandlas ytterligare i vakuum vid samma temperatur. Under processen bildas niobiumnitrider på ytan och måste avlägsnas kemiskt för att återställa god RF-prestanda.
Teamet reproducerade dessa processer på sina kontrollerade prover och undersökte sedan de behandlade ytorna med sin verktygslåda för att se hur topografin utvecklades hela tiden.
Teamet fann att skillnaderna var särskilt synliga vid niobkorngränserna. Dessa korngränser bildas när niobmetallen som används för att producera hålrummen görs till göt eller ark. Niobet smälts först, och när det svalnar bildas enskilda kristaller av metallen. Gränserna för dessa individuella kristaller är korngränserna som kan vara synliga för blotta ögat och genom ett mikroskop.
Vad de fann i sina prover var att förutom den nyttiga kvävgasen som introducerades i ytan av niob under dopningsprocessen, bildades även stora nitridföreningskristaller och klumpade ihop företrädesvis vid vissa korngränser av niob under glödgningsprocessen.
"Det är den gasen i niob som gör det goda. Nitridföreningskristallerna på ytan är riktigt dåliga nyheter, så vi måste ta bort dem," förklarade Reece.
Dessa nitridkristaller togs bort under elektropoleringen men lämnade efter sig djupa triangulära spår som de hade växt i. Sådana spår förstärker effektivt det lokala magnetfältet, vilket begränsar hur "högt" det användbara accelerationsfältet kan skruvas upp.
"Så vi misstänker att detta beror på en process som kallas Ostwald-mognad, där nitrider tenderar att klumpa ihop sig under glödgningsprocessen och bilda större nitrider som är djupare. Och sedan, under elektropoleringsprocessen, angrips det djupare tråget företrädesvis. Så , du har ett djupare och skarpare spår Djupa och skarpa är två ytråhetsegenskaper som är dåliga för prestandan," förtydligade Lechner.
För mycket elektropolering för att ta bort kristallnitriderna och lindra räfflorna kan också ta bort den fördelaktiga kvävgasen som faktiskt bidrog till att förbättra prestandan.
"Vår topografiska analys stämmer väl överens med prestandatrenden som observerats i LCLS-II HE FoU-projektet såväl som hålrumsproduktionsprestanda för LCLS-II och LCLS-II HE, som hade olika kvävedopningsprocesser," tillade Lechner.
Teamet betonade att nioben som gav den högre maximala fältprestanda var jämnare.
Men kväve är inte den enda föroreningen som lovar att förbättra SRF-prestanda.
Forskning och utveckling vid Fermilab visade att värmebehandling av niobhålrum vid ~300 °C med en unik uppvärmningsapparat gav RF-prestanda liknande kvävedopning.
Med utgångspunkt från dessa resultat fann forskare vid High Energy Accelerator Research Organisation – känd som KEK – i Japan och Kinas Institute of High Energy Physics att de fick effektivitetsvinster som liknar kvävedopning med en mycket enklare process:de bakade håligheter överlägset. lägre temperaturer i standardvakuumugnar – cirka 300 till 400 o Celsius, tillsatte inte kvävgas, sköljde sedan bara av hålrummen och hoppade över elektropoleringen.
Jefferson Lab-forskare och andra var så fascinerade av denna premiss att Reece inledde en undersökning av processen.
Han, Ari Palczewski, Lechner och Jonathan Angle, då doktorand vid Virginia Tech, misstänkte att syre var den främsta föroreningen i den nya metoden. Deras forskning kvantifierade denna process både experimentellt och teoretiskt, vilket bekräftade att syre var tillsatsen. Under gräddningen löste niobets naturliga oxid och spred syreatomer jämnt in i dess yta.
"Så det här är syrgasdopning i motsats till kvävedopning. Det kan göras med en mycket enklare process. Och så det är en av de typer av prover vi tog upp", säger Reece.
Både kvävedopning och syrgasdopning förbättrade effektiviteten nästan identiskt, men eftersom syrgasdopning är mycket enklare och billigare, sa Lechner att det anses vara det mer attraktiva alternativet för framtida SRF-kaviteter.
"Den topografiska analysen tyder på att högre toppfält bör kunna uppnås i de syrgasdopade kaviteterna med en betydligt enklare och billigare process," sa Lechner.
Laboratoriet fortsätter att utnyttja analysen som utvecklats för denna studie och tillämpar den på annat material av intresse för SRF-tillämpningar, sa Lechner.
Under tiden fortsätter teamet att gå mot sitt mål att finjustera sin verktygslåda och modell av hur olika aspekter av förberedelse av kavitetsytor påverkar acceleratorns prestanda. I grund och botten letar de efter hur man ekonomiskt kan skräddarsy det översta 1 mikron tjocka ytskiktet av acceleratorkaviteter för att möta prestandakraven för framtida applikationer med tillförsikt.
"Det är nyckeln här - inte bara att hitta ett recept som råkar fungera, utan att förstå vad som händer så att vi är tillräckligt kunniga för att kunna skräddarsy det," sa Reece. "Att få en yta som du vet kommer att bli bra – det är guldgåsen. Vi behöver både mindre värme och högre fält, tillförlitligt."
Mer information: Eric M. Lechner et al, Topografisk utveckling av värmebehandlad Nb vid elektropolering för supraledande rf-tillämpningar, Physical Review Accelerators and Beams (2023). DOI:10.1103/PhysRevAccelBeams.26.103101
Tillhandahålls av Thomas Jefferson National Accelerator Facility
