Agitar estruturas de acelerador de partículas de classe mundial tem sido um processo semelhante a seguir uma receita favorita. Muitas das amostras de melhor desempenho são preparadas usando processos desenvolvidos por tentativa e erro ao longo de décadas de experiência. Mas recentemente, cientistas aceleradores têm impulsionado essa abordagem empírica da ciência com mais dados teóricos. Agora, seus esforços estão começando a dar frutos.

Cientistas de aceleradores do Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia dos EUA desenvolveram um modelo para um método de preparação mais barato e fácil para obter melhor desempenho de aceleradores de partículas. Avançar, testes preliminares do novo modelo mostram que ele pode em breve fornecer aos cientistas a capacidade de prever o melhor método de preparação de material para objetivos de desempenho específicos. Os resultados deste estudo foram publicados recentemente em Cartas de Física Aplicada .

Construindo aceleradores eficientes

Muitos dos aceleradores de partículas avançados de hoje usam tecnologia de radiofrequência supercondutora, ou tecnologia SRF. Esses aceleradores são movidos por estruturas de formato especial chamadas cavidades do acelerador. As cavidades são normalmente feitas de um metal chamado nióbio. Quando resfriado a temperaturas criogênicas, cavidades do acelerador de nióbio tornam-se supercondutoras, permitindo-lhes armazenar grandes quantidades de energia de radiofrequência para partículas em aceleração.

Antigamente, pensava-se que as cavidades do acelerador de nióbio funcionavam melhor se fossem feitas do metal de nióbio mais puro e tivessem o mais limpo, superfície livre de contaminantes. Contudo, vários estudos recentes indicaram que adicionar elementos específicos à superfície de uma cavidade pode ajudar a aumentar sua eficiência.

Especificamente, a pesquisa inicial no Laboratório Nacional de Acelerador Fermi do DOE descobriu que adicionar nitrogênio à superfície dos componentes do acelerador de nióbio os torna mais eficientes. Os fortes resultados empíricos de testes colaborativos subsequentes convenceram os gerentes para a atualização da Fonte de Luz Coerente Linac a adotar este processo, que eles chamam de "dopagem com nitrogênio". O LCLS está localizado no SLAC National Accelerator Lab do DOE em Menlo Park, Ca.

Dopagem de nitrogênio

Cavidades de dopagem de nitrogênio, Contudo, pode ser um processo complicado. As etapas finais de preparação de uma receita típica incluem queimá-los em um forno totalmente limpo em cerca de 800 ℃ (cerca de 1, 500 ℉) por horas com adição de um pouco de gás nitrogênio durante os últimos minutos, enxágue-os com um jato de água ultra-pura de alta pressão, e, em seguida, submeter as cavidades a um tratamento ácido cuidadosamente controlado, denominado eletropolimento, que essencialmente retira camadas finas de material com muitas perdas da superfície. Após outro enxágue, as cavidades estão prontas para serem testadas para determinar sua eficiência.

Esse processo longo e complicado entregou excelentes resultados nos testes exigidos para aquele projeto. Mas, a ciência de como a preparação melhorou o desempenho - que mudanças físicas ela induz na superfície da cavidade e como isso produziu o efeito desejado - permaneceu ambígua. Também não se sabia como o ajuste de certas partes do processo melhoraria ou limitaria o desempenho da cavidade do acelerador.

Em 2019, O cientista da equipe do Jefferson Lab, Ari Palczewski, decidiu mudar isso. Ele recebeu um prêmio DOE Early Career do Office of Nuclear Physics para desenvolver um modelo teórico de como diferentes etapas de processamento se equiparam ao desempenho esperado em cavidades de acelerador que foram dopadas com nitrogênio.

Palczewski adotou uma abordagem multidisciplinar para a pesquisa. Ele trouxe a bordo Eric Lechner como um pós-doutorado no Instituto SRF do Jefferson Lab. Lechner aplica conhecimentos teóricos ao projeto. Ele começou desconstruindo a mecânica de como as receitas de dopagem com nitrogênio mudam a superfície do nióbio.

"Essencialmente, o que está acontecendo é que você permite que algumas impurezas entrem na superfície do nióbio, que compõe as cavidades do acelerador SRF. Estamos falando de apenas alguns micrômetros ou mais. Isso aumenta as propriedades do supercondutor, "explicou Lechner.

Ele analisou amostras preparadas com Jonathan Angle, um estudante de graduação no programa de ciência e engenharia de materiais na Virginia Tech. Angle usou uma técnica chamada espectrometria de massa de íons secundários para varrer a superfície e as profundidades do material para caracterizar como o nitrogênio foi distribuído no nióbio por diferentes técnicas de preparação.

De nitrogênio a oxigênio

Enquanto esta pesquisa estava indo bem, a equipe logo teve motivos para mudar de marcha.

Pesquisadores da High Energy Accelerator Research Organization (KEK) no Japão começaram a relatar eficiências que rivalizavam com as cavidades do acelerador dopado com nitrogênio em cavidades que haviam recebido um método de processamento muito menos oneroso. Essencialmente, os pesquisadores da KEK assaram cavidades em um forno em temperaturas muito mais baixas - de apenas 300–400 ℃ - e então simplesmente enxaguaram as cavidades e as testaram. Esses resultados intrigaram os cientistas aceleradores do Jefferson Lab.

Avançar, o projeto do início de carreira que se concentrava no doping de nitrogênio estava chegando ao fim com a saída de Palczewski, que passou a perseguir diferentes desafios na indústria.

Charlie Reece, um físico acelerador sênior no Instituto SRF, em seguida, fez uma proposta para que a linha de pesquisa se concentrasse no promissor processo de preparação de alternativas.

Lechner e Angle começaram a trabalhar preparando cavidades usando o processo mais simples. Eles então analisaram as superfícies das cavidades.

"Jonathan e eu investigamos com a técnica de espectrometria de massa de íons secundários. E foi aqui que descobrimos que o principal contaminante, neste caso, era o oxigênio em vez de nitrogênio, então desempenhou um papel semelhante em melhorar o desempenho, "Lechner disse.

Ele disse que o oxigênio vem da superfície do próprio nióbio. Isso porque os óxidos, que contêm principalmente os átomos de oxigênio, sempre se formar na superfície do metal com a exposição ao ar.

"Quando você aquece, o óxido começa a se dissolver, e o oxigênio que é liberado durante este processo acaba se dissolvendo na superfície do nióbio em um processo de difusão, "Lechner explicou.

O resultado é um novo, fina camada superficial composta de uma liga de nióbio-oxigênio. E porque o oxigênio vem de óxidos que estão naturalmente presentes em todas as superfícies da cavidade, o oxigênio se difunde uniformemente em cada canto e fissura.

"Simplificando, este processo é mais simples, mais barato, e funciona em qualquer geometria ou projeto de cavidade do acelerador, "Reece disse.

Teoria brilha uma luz

"Muito do esforço por trás deste trabalho foi tentar entender o mecanismo por trás da introdução de oxigênio na superfície. Não há muitos modelos por aí que prevejam o que está acontecendo quando você assa uma cavidade nesta faixa de temperatura, "Lechner disse.

Mas um modelo que se destacou veio de outro pesquisador do próprio Jefferson Lab:Gigi Ciovati. Enquanto trabalhava em seu Ph.D. tese em 2006, Ciovati desenvolveu um modelo teórico sobre a dissolução do óxido de nióbio e difusão de oxigênio para explicar a migração de oxigênio em temperaturas em torno de 100-200 ℃.

"Gigi desenvolveu um modelo muito bom que explica esse efeito, "Lechner comentou." Esta modelagem permite que você desenvolva um perfil de oxigênio na superfície que é personalizável, portanto, você pode tentar desenvolver uma receita de aquecimento para melhorar o fator de qualidade [o desempenho da cavidade] de maneira ideal. E também, você pode ser capaz de projetar um perfil de oxigênio que aumenta o gradiente máximo de aceleração na cavidade, que diz quanta energia você pode armazenar lá. "

Contudo, no momento, Ciovati não tinha acesso à técnica de espectrometria de massa de íons secundários para verificar o que estava acontecendo entre o nióbio e o oxigênio na superfície. Lechner e Angle foram capazes de usar o modelo de Ciovati e o que aprenderam com a espectrometria de massa de íons secundários para aplicar o modelo em suas novas amostras.

Esta fase do trabalho teve como objetivo pegar o modelo analítico que Ciovati havia desenvolvido e usá-lo para construir um novo modelo numérico que permitiria aos construtores de aceleradores ajustar suas receitas para obter cavidades de acelerador mais eficientes.

"Agora, estamos tentando desenvolver um modelo numérico que nos ajudará a adaptar um perfil próximo à superfície de modo que otimize o fator de qualidade e o campo de aceleração, "Lechner disse.

Se for bem sucedido, o novo modelo permitirá que os construtores de aceleradores marquem com segurança a receita ideal para o aprimoramento de eficiência de que precisam. Isso seria, pela primeira vez, permitir a personalização da receita de preparação da estrutura do acelerador sem perda de tempo desnecessária por tentativa e erro cega.

"O objetivo desta pesquisa é abrir a janela para a previsibilidade. Queremos projetar o processo de uma forma cuidadosa, para que possamos projetar com sucesso o processo que nos dará o resultado desejado de forma confiável, "Reece disse.

Lechner disse que a equipe já está obtendo resultados promissores com o novo modelo, mas sugere que melhorias na modelagem ainda podem ser feitas.

"Este ainda é um trabalho em andamento. Estamos procurando testar este modelo agora, " ele adicionou.

Os resultados iniciais foram publicados recentemente em Cartas de Física Aplicada e reconhecido como notável por seleção como uma contribuição da Seleção dos Editores.