Glattere overflader giver bedre acceleratorer

Med hver ny partikelaccelerator, der er bygget til forskning, har videnskabsmænd mulighed for at skubbe grænserne for opdagelse. Men dette er kun sandt, hvis nye partikelacceleratorer leverer den ønskede ydeevne - ingen lille bedrift i en verden, hvor hver ny maskine er den første af sin særlige art. Ved hver projektmulighed forsøger forskere at forfine forberedelsesmetoderne for nøglekomponenter for at få "bedre bang for the buck."

Accelerator-forskere ved det amerikanske energiministeriums Thomas Jefferson National Accelerator Facility har ledet denne forfiningsproces. De bygger på årtiers empirisk læring og katalogiserer, hvordan partikelacceleratorkomponenter er lavet, hvordan overfladens mikroruhed er, og hvordan alt dette påvirker komponenternes ydeevne. Deres ultimative mål er en funktionel metode til at undersøge og forudsige en partikelaccelerators ultimative ydeevne baseret på den specifikke opskrift, der bruges til at forberede dens dele.

"Vi forsøger at finde en måde at forstå de forskellige ting, der foregår, og med den forståelse skabe en proces, der er meget bevidst," forklarede Charles Reece, en senior acceleratorfysiker, som trak sig tilbage fra Jefferson Labs SRF Institute sidste år.

Nu har holdet undersøgt flere repræsentative overfladebehandlinger for at teste deres metodik. De har fundet ud af, at det ikke kun med succes forudsiger ydeevne, men også peger mod endnu bedre overfladebehandlinger, der endnu ikke er testet i stor skala. Resultaterne vises i Physical Review Accelerators and Beams .

Niob overfladebehandling

Rygraden i stort set alle avancerede partikelacceleratorer er strukturer kaldet radiofrekvenshulrum, som typisk er lavet af metallet niobium. Ved underafkøling til temperaturer nær det absolutte nulpunkt bliver niobiumhulrum superledende. Denne teknologi er den eneste måde at konstruere energieffektive partikelacceleratorer i stor skala.

I årtier troede acceleratorforskere, at de bedste superledende radiofrekvens (SRF) hulrum var lavet af det reneste niobium med forureningsfri overflader. Jefferson Labs Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) er for eksempel bygget med rene niobiumhulrum. CEBAF er en Office of Science-brugerfacilitet, der fungerer som forskningshjem for mere end 1.900 kernefysikere verden over.

I de senere år opdagede DOE-forskere dog, at en smule forurening - for eksempel nitrogen - bagt på niobiums overflade kunne forbedre et hulrums ydeevne ved at lave endnu mindre varme. Denne proces med "nitrogen-doping" blev opdaget på DOE's Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab). Processen forbedrer ydeevnen ved at sprede en smule nitrogengas ind i overfladen af ​​niobiummaterialet.

Ydeevnen med indledende nitrogen-dopingbehandlinger var så stærk, at den blev valgt to gange til opgradering af Linac Coherent Light Source (LCLS) røntgenlaseren ved DOE's SLAC National Accelerator Laboratory i Californien. Fermilab ledede et samarbejde med flere laboratorier for hurtigt at etablere nye standarder for materialer og forarbejdningsmetoder, der anvendes til sådanne højeffektive acceleratorer.

"Disse to projekter bruger begge nitrogen-doping, men to forskellige recepter. Og det blev observeret, at fordelingen af ​​de topfelter, som hulrummene kunne nå, var forskellig nu mellem de to opskrifter. Og så er spørgsmålet hvorfor?" sagde Reece.

De to projekter, der opgraderer LCLS, er LCLS-II og LCLS-II-HE. LCLS-II-projektet var en flerårig opgradering på 1,1 milliarder dollar, der føjede de første SRF-komponenter til maskinen. Denne opgradering til SRF-acceleratorteknologi gør det muligt for laseren at producere op til en million røntgenimpulser i sekundet, 8.000 gange mere end sin forgænger. LCLS-II-HE tilføjer yderligere SRF-komponenter for at fordoble energien af ​​LCLS-II. Højere energier vil give maskinen mulighed for at producere kortere røntgenstråler og få adgang til yderligere videnskab.

Takket være Jefferson Labs deltagelse i de to forskellige opgraderingsprojekter for LCLS, havde teamet et væld af oplysninger om de anvendte forberedelsesteknikker samt resultaterne af test af komponenters ydeevne.

"Der er en forskel i den ultimative accelerationsgradient, afhængigt af nitrogen-dopingprocessen," sagde Eric Lechner, Jefferson Lab-medarbejder, der ledede testindsatsen. "Vi ønskede at tage et kig på, hvordan overfladeruheden er forskellig mellem disse processer og sammenligne det med ydeevnen målt i disse hulrum."

Undersøgelse af overfladeruhed

Undersøgelsen fokuserede på virkningerne af sekventiel elektropolering på de nitrogen-doterede niobiumprøver. Efter doping elektropoleres prøverne for at fjerne ydre lag fra hulrummets overflade. Elektropolering fjerner både overfladekontamination og udglatter hulrumsoverfladen.

Holdet havde allerede udviklet en metode til at producere standardiserede prøver og udsætte dem for en kontrolleret elektropolering. De havde samlet et nyt værktøjssæt til at måle og analysere overfladetopografi for at estimere dens indvirkning på ydeevnen. Disse værktøjer omfatter scanningselektronmikroskopi, sekundær ionmassespektrometri, atomkraftmikroskopi og elektron-backscatter-diffraktion.

I nitrogen-dopingprocessen udsættes niobium for nitrogengas i to minutter ved 800 grader Celsius, og i nogle tilfælde udglødes eller varmebehandles det yderligere i vakuum ved samme temperatur. Under processen dannes niobiumnitrider på overfladen og skal fjernes kemisk for at genvinde god RF-ydeevne.

Holdet reproducerede disse processer på deres kontrollerede prøver og undersøgte derefter de behandlede overflader med deres værktøjssæt for at se, hvordan topografien udviklede sig hele vejen igennem.

Holdet fandt ud af, at forskellene var særligt synlige ved niobium-korngrænserne. Disse korngrænser dannes, da det niobiummetal, der bruges til at fremstille hulrummene, laves om til barrer eller plader. Niobium smeltes først, og når det afkøles, dannes individuelle krystaller af metallet. Grænserne for disse individuelle krystaller er de korngrænser, der kan være synlige for det blotte øje og gennem et mikroskop.

Det, de fandt i deres prøver, var, at ud over den gavnlige kvælstofgas, der blev introduceret i overfladen af ​​niobium under dopingprocessen, dannedes også store nitridforbindelseskrystaller og klumpede sig fortrinsvis sammen ved nogle korngrænser af niobium under udglødningsprocessen.

"Det er den gas i niobium, der gør det gode. Nitridsammensatte krystaller på overfladen er virkelig dårlige nyheder, så vi er nødt til at fjerne dem," forklarede Reece.

Disse nitridkrystaller blev fjernet under elektropoleringen, men efterlod dybe trekantede riller, som de var vokset i. Sådanne riller forstærker effektivt det lokale magnetfelt, hvilket begrænser, hvor "højt" det nyttige accelerationsfelt kan skrues op.

"Så vi har en mistanke om, at dette skyldes en proces kaldet Ostwald-modning, hvor nitrider vil have en tendens til at klumpe sig sammen under udglødningsprocessen og danne større nitrider, der er dybere. Og så, under elektropoleringsprocessen, bliver det dybere trug fortrinsvis angrebet. Så , du har en dybere og skarpere rille Dyb og skarp er to overfladeruhedskvaliteter, der er dårlige for ydeevnen," forklarede Lechner.

For meget elektropolering til at fjerne krystalnitriderne og afhjælpe rillerne kunne også fjerne den gavnlige nitrogengas, som faktisk hjalp med at forbedre ydeevnen.

"Vores topografiske analyse stemmer godt overens med tendensen for ydeevne observeret i LCLS-II HE R&D-projektet såvel som hulrumsproduktionsydelsen for LCLS-II og LCLS-II HE, som havde forskellige nitrogen-dopingprocesser," tilføjede Lechner.

Holdet fremhævede, at det niobium, der gav den højeste maksimale markydelse, var jævnere.

Hvad er det næste?

Men nitrogen er ikke det eneste forurenende stof, der lover at forbedre SRF-ydeevnen.

R&D hos Fermilab viste, at varmebehandling af niobiumhulrum ved ~300 °C ved hjælp af et unikt varmeapparat gav RF-ydelse svarende til nitrogendoping.

Med udgangspunkt i disse resultater fandt forskere ved High Energy Accelerator Research Organisation - kendt som KEK - i Japan og Kinas Institut for Højenergifysik, at de opnåede effektiviteter svarende til nitrogendoping med en meget enklere proces:De bagte hulrum langt ud. lavere temperaturer i standard vakuumovne – omkring 300 til 400 ^o Celsius, tilsatte ikke nitrogengas, skyllede så bare hulrummene af og sprang elektropoleringen over.

Jefferson Lab-forskere og andre var så fascinerede af denne præmis, at Reece iværksatte en undersøgelse af processen.

Han, Ari Palczewski, Lechner og Jonathan Angle, dengang en kandidatstuderende ved Virginia Tech, havde mistanke om, at ilt var den vigtigste forurening i den nye metode. Deres forskning kvantificerede denne proces både eksperimentelt og teoretisk, hvilket bekræftede, at ilt var tilsætningsstoffet. Under bagning opløste niobiums native oxid og diffunderede oxygenatomer ensartet ind i overfladen.

"Så dette er oxygendoping i modsætning til nitrogendoping. Det kan gøres med en meget enklere proces. Og så det er en af ​​de typer prøver, vi adresserede," sagde Reece.

Både nitrogendoping og oxygendoping forbedrede effektiviteten næsten identisk, men fordi oxygendoping er meget enklere og billigere, sagde Lechner, at det anses for at være den mere attraktive mulighed for fremtidige SRF-hulrum.

"Den topografiske analyse tyder på, at højere topfelter bør være opnåelige i de oxygen-doterede hulrum med en væsentligt enklere og billigere proces," sagde Lechner.

Laboratoriet fortsætter med at gøre god brug af analysen udviklet til denne undersøgelse og anvender den på andre materialer af interesse for SRF-applikationer, sagde Lechner.

I mellemtiden fortsætter holdet med at bevæge sig mod deres mål om at finjustere deres værktøjssæt og model af, hvordan forskellige aspekter af forberedelse af hulrumsoverfladen påvirker acceleratorens ydeevne. I bund og grund leder de efter, hvordan man økonomisk kan skræddersy det øverste 1 mikron tykke overfladelag af acceleratorkaviteter for at opfylde ydeevnekravene til fremtidige applikationer med tillid.

"Det er det vigtigste her - ikke bare at finde en opskrift, der tilfældigvis virker, men at forstå, hvad der foregår, så vi er vidende nok til at være i stand til at skræddersy den," sagde Reece. "For at få en overflade, du ved, vil være god - det er den gyldne gås. Vi har brug for både mindre varme og højere marker, pålideligt."

Flere oplysninger: Eric M. Lechner et al., Topografisk udvikling af varmebehandlet Nb efter elektropolering til superledende rf-applikationer, Physical Review Accelerators and Beams (2023). DOI:10.1103/PhysRevAccelBeams.26.103101

Leveret af Thomas Jefferson National Accelerator Facility