Partikelacceleratorer kan få et løft af ilt

At piske partikelacceleratorstrukturer i verdensklasse har længe været en proces, der ligner at følge en yndlingsopskrift. Mange af de bedst ydende prøver er forberedt ved hjælp af processer udviklet gennem forsøg og fejl gennem årtiers erfaring. Men for nylig, accelerator videnskabsmænd har boostet denne empiriske tilgang til videnskab med mere teoretisk input. Nu, deres indsats begynder at give pote.

Accelerator-forskere ved det amerikanske energiministeriums Thomas Jefferson National Accelerator Facility har udviklet en model for en billigere og lettere forberedelsesmetode til at få bedre ydeevne fra partikelacceleratorer. Yderligere, Foreløbige test af den nye model viser, at den snart kan give forskerne mulighed for at forudsige den bedste materialeforberedelsesmetode til specifikke præstationsmål. Resultaterne fra denne undersøgelse blev for nylig offentliggjort i Anvendt fysik bogstaver .

Opbygning af effektive acceleratorer

Mange af nutidens avancerede partikelacceleratorer bruger superledende radiofrekvensteknologi, eller SRF-teknologi. Disse acceleratorer drives af specielt formede strukturer kaldet acceleratorhulrum. Hulrum er typisk lavet af et metal kaldet niobium. Når den afkøles til kryogene temperaturer, niobiumacceleratorhulrum bliver superledende, giver dem mulighed for at lagre store mængder radiofrekvensenergi til at accelerere partikler.

Man troede engang, at niobiumacceleratorhulrum fungerede bedst, hvis de var lavet af det reneste niobiummetal og havde det reneste, forureningsfri overflade. Imidlertid, flere nyere undersøgelser har vist, at tilføjelse af specifikke elementer til et hulrums overflade kan hjælpe med at øge effektiviteten.

Specifikt, indledende forskning ved DOE's Fermi National Accelerator Laboratory opdagede, at tilsætning af nitrogen til overfladen af ​​niobiumacceleratorkomponenter gør dem mere effektive. De stærke empiriske resultater fra efterfølgende kollaborative tests overbeviste ledere til opgraderingen af ​​Linac Coherent Light Source til at anvende denne proces, som de omtalte som "nitrogen-doping". LCLS er placeret på DOE's SLAC National Accelerator Lab i Menlo Park, Ca.

Nitrogen-doping

Nitrogen-dopinghulrum, imidlertid, kan være en kompliceret proces. De sidste forberedelsestrin i en typisk opskrift inkluderer at brænde dem i en uberørt ren ovn ved omkring 800 ℃ (ca. 500℉) i timer med tilsætning af en smule nitrogengas i løbet af de sidste par minutter, skyl dem af med en højtryksstrøm af ultrarent vand, og derefter udsætte hulrummene for en omhyggeligt kontrolleret syrebehandling kaldet elektropolering, der i det væsentlige fjerner tynde lag af meget tabsgivende materiale fra overfladen. Efter endnu en skylning, hulrummene er klar til at blive testet for at bestemme deres effektivitet.

Denne lange og involverede proces har leveret fremragende resultater i de test, der kræves til det pågældende projekt. Men, videnskaben om, hvordan præparatet forbedrede ydeevnen - hvilke fysiske ændringer det fremkalder i et hulrums overflade, og hvordan det gav den ønskede effekt - forblev tvetydig. Det var også ukendt, hvordan tilpasning af visse dele af processen ville forbedre eller begrænse acceleratorkavitets ydeevne.

I 2019, Jefferson Lab Staff Scientist Ari Palczewski satte sig for at ændre det. Han modtog en DOE Early Career Award fra Office of Nuclear Physics for at udvikle en teoretisk model for, hvordan forskellige behandlingstrin svarer til forventet ydeevne i acceleratorhulrum, der er blevet dopet med nitrogen.

Palczewski tog en tværfaglig tilgang til forskningen. Han tog Eric Lechner om bord som postdoc i Jefferson Labs SRF Institute. Lechner anvender teoretisk ekspertise til projektet. Han startede med at dekonstruere mekanikken i, hvordan nitrogen-dopingopskrifter ændrer overfladen af ​​niobium.

"Det, der i bund og grund sker, er, at du tillader nogle urenheder at gå ind i overfladen af ​​niobium, som udgør dine SRF accelerator hulrum. Vi taler kun om nogle få mikrometer eller deromkring. Dette forbedrer superlederens egenskaber, " forklarede Lechner.

Han analyserede forberedte prøver med Jonathan Angle, en kandidatstuderende i materialevidenskab og ingeniøruddannelsen ved Virginia Tech. Angle brugte en teknik kaldet sekundær ionmassespektrometri til at scanne overfladen og dybden af ​​materialet for at karakterisere, hvordan nitrogen blev fordelt i niobium ved forskellige fremstillingsteknikker.

Fra nitrogen til ilt

Mens denne undersøgelse forløb godt, holdet fik hurtigt grunde til at skifte gear.

Forskere ved High Energy Accelerator Research Organization (KEK) i Japan begyndte at rapportere effektivitetsgevinster, der konkurrerer med nitrogen-doterede acceleratorhulrum fra hulrum, der havde modtaget en langt mindre besværlig behandlingsmetode. I det væsentlige, KEK-forskerne havde bagt hulrum i en ovn ved langt lavere temperaturer – ved kun 300–400 ℃ – og så blot skyllet hulrummene af og testet dem. Disse resultater fascinerede acceleratorforskerne ved Jefferson Lab.

Yderligere, det tidlige karriereprojekt, der havde været fokuseret på nitrogendoping, var ved at være slut med Palczewskis afgang, som havde forfulgt forskellige udfordringer i industrien.

Charlie Reece, en senior acceleratorfysiker i SRF Institute, fremsatte derefter et forslag til forskningslinjen for at fokusere på den lovende alternative forberedelsesproces.

Lechner og Angle gik i gang med at forberede hulrum ved hjælp af den enklere proces. De analyserede derefter hulrummenes overflader.

"Jonathan og jeg undersøgte det med den sekundære ion massespektrometri-teknik. Og det var her, vi havde fundet ud af, at hovedforureningen i dette tilfælde var ilt i stedet for nitrogen, så det spillede en lignende rolle i at forbedre præstationen, " sagde Lechner.

Han sagde, at ilten kommer fra overfladen af ​​selve niobium. Det er fordi oxider, som primært indeholder iltatomer, dannes altid på metallets overflade ved eksponering for luften.

"Når du varmer det op, oxidet begynder at opløses, og den ilt, der frigives under denne proces, ender med at blive opløst i overfladen af ​​niob i en diffusionsproces, " forklarede Lechner.

Resultatet er en ny, tyndt overfladelag sammensat af en niobium-ilt legering. Og fordi ilten kommer fra oxider, der er naturligt til stede på hver overflade af hulrummet, ilten diffunderer ensartet ind i hver en krog.

"Kort fortalt, denne proces er enklere, billigere, og fungerer på enhver geometri eller design af acceleratorhulrummet, " sagde Reece.

Teori skinner et lys

"Meget af indsatsen bag dette arbejde var at forsøge at forstå mekanismen bag indførelsen af ​​ilt i overfladen. Der er ikke så mange modeller derude, der forudsiger, hvad der foregår, når du bager et hulrum i dette temperaturområde, " sagde Lechner.

Men en model, der skilte sig ud, kom fra en anden af ​​Jefferson Labs egne forskere:Gigi Ciovati. Mens han arbejdede på sin ph.d. afhandling i 2006, Ciovati havde udviklet en teoretisk model for opløsning af niobiumoxid og iltdiffusion for at forklare migrationen af ​​ilt ved temperaturer omkring 100-200 ℃.

"Gigi havde udviklet en ganske fin model, der forklarede denne effekt, Lechner kommenterede. "Denne modellering giver dig mulighed for at udvikle en iltprofil i overfladen, som kan tilpasses, så du kan prøve at udvikle en opvarmningsopskrift for at forbedre kvalitetsfaktoren [hvor godt hulrummet yder] optimalt. Og også, du kan muligvis konstruere en iltprofil, der forbedrer den maksimale accelerationsgradient i hulrummet, som fortæller dig, hvor meget energi du kan gemme derinde."

Imidlertid, på det tidspunkt, Ciovati havde ikke adgang til den sekundære ion massespektrometri teknik til at verificere, hvad der skete mellem niobium og oxygen på overfladen. Lechner og Angle var i stand til at bruge Ciovatis model og hvad de lærte fra sekundær ionmassespektrometri til at anvende modellen på deres nye prøver.

Denne fase af arbejdet havde til formål at tage den analytiske model, som Ciovati havde udviklet, og bruge den til at bygge en ny numerisk model, der ville give acceleratorbyggere mulighed for at finjustere deres opskrifter for at opnå mere effektive acceleratorkaviteter.

"Nu, vi forsøger at udvikle en numerisk model, der vil hjælpe os med at skræddersy en profil nær overfladen, så den optimerer kvalitetsfaktoren og accelerationsfeltet, " sagde Lechner.

Hvis det lykkes, den nye model vil give acceleratorbyggere mulighed for trygt at ringe op til den optimale opskrift på den effektivitetsforøgelse, de har brug for. Dette ville, for første gang, give mulighed for tilpasning af acceleratorstrukturens forberedelsesopskrift uden unødig tid, der går tabt på blind prøve-og-fejl.

"Målet med denne forskning er at åbne vinduet til forudsigelighed. Vi ønsker at konstruere processen på en tankevækkende måde, så vi med succes kan konstruere den proces, der pålideligt vil give os det ønskede resultat, " sagde Reece.

Lechner sagde, at holdet allerede får lovende resultater fra den nye model, men foreslår, at der stadig kan foretages forbedringer af modelleringen.

"Dette er stadig et igangværende arbejde. Vi søger at teste denne model nu, " han tilføjede.

De første resultater blev for nylig offentliggjort i Anvendt fysik bogstaver og anerkendt som bemærkelsesværdig ved valg som et Editors Pick-bidrag.