Evolução da rugosidade superficial média. Crédito:Aceleradores e feixes de revisão física (2023). DOI:10.1103/PhysRevAccelBeams.26.103101 Com cada novo acelerador de partículas construído para investigação, os cientistas têm a oportunidade de ultrapassar os limites da descoberta. Mas isto só é verdade se os novos aceleradores de partículas proporcionarem o desempenho desejado – o que não é pouca coisa num mundo onde cada nova máquina é a primeira do seu tipo específico. Em cada oportunidade de projeto, os pesquisadores tentam refinar os métodos de preparação dos principais componentes, de modo a obter um “melhor retorno financeiro”.
Cientistas de aceleradores do Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia dos EUA têm liderado esse processo de refinamento. Com base em décadas de aprendizado empírico, eles estão catalogando como os componentes do acelerador de partículas são feitos, como é a microrrugosidade da superfície e como tudo isso afeta o desempenho dos componentes. Seu objetivo final é um método funcional para investigar e prever o desempenho final de um acelerador de partículas com base na receita específica usada para preparar suas peças.
"Estamos tentando encontrar uma maneira de entender as diferentes coisas que estão acontecendo e, com essa compreensão, criar um processo que seja muito intencional", explicou Charles Reece, físico sênior de aceleradores que se aposentou do Instituto SRF do Jefferson Lab no ano passado.
Agora, a equipe investigou vários tratamentos de superfície representativos para testar sua metodologia. Eles descobriram que ele não apenas prevê com sucesso o desempenho, mas também aponta para tratamentos de superfície ainda melhores, ainda não testados em larga escala. Os resultados aparecem em Aceleradores e feixes de revisão física .
Preparação de superfície de nióbio
A espinha dorsal de essencialmente todos os aceleradores de partículas avançados são estruturas chamadas cavidades de radiofrequência, que normalmente são feitas de metal nióbio. Quando super-resfriados a temperaturas próximas do zero absoluto, as cavidades do nióbio tornam-se supercondutoras. Esta tecnologia é a única maneira de construir aceleradores de partículas em grande escala e com eficiência energética.
Durante décadas, os cientistas dos aceleradores acreditaram que as melhores cavidades de radiofrequência supercondutora (SRF) eram feitas do mais puro nióbio com superfícies livres de contaminantes. O Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) do Jefferson Lab, por exemplo, é construído com cavidades de nióbio puro. O CEBAF é uma instalação de usuário do Office of Science que serve como sede de pesquisa para mais de 1.900 físicos nucleares em todo o mundo.
Nos anos mais recentes, porém, os pesquisadores do DOE descobriram que um pouco de contaminante – por exemplo, nitrogênio – incorporado à superfície do nióbio poderia melhorar o desempenho de uma cavidade ao produzir ainda menos calor. Este processo de "dopagem com nitrogênio" foi descoberto no Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) do DOE. O processo melhora o desempenho ao difundir um pouco de gás nitrogênio na superfície do material de nióbio.
O desempenho com tratamentos iniciais de dopagem com nitrogênio foi tão forte que foi escolhido duas vezes para atualizar o laser de raios X Linac Coherent Light Source (LCLS) no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do DOE, na Califórnia. O Fermilab liderou uma colaboração multilaboratorial para estabelecer rapidamente novos padrões para os materiais e métodos de processamento usados para esses aceleradores de alta eficiência.
"Esses dois projetos usam dopagem com nitrogênio, mas duas receitas diferentes. E foi observado que a distribuição dos campos de pico que as cavidades poderiam atingir era diferente agora entre as duas receitas. E então a questão é por quê?" disse Reece.
Os dois projetos de atualização do LCLS são LCLS-II e LCLS-II-HE. O projeto LCLS-II foi uma atualização plurianual de US$ 1,1 bilhão que adicionou os primeiros componentes SRF à máquina. Esta atualização para a tecnologia do acelerador SRF permite que o laser produza até um milhão de pulsos de raios X por segundo, 8.000 vezes mais que seu antecessor. O LCLS-II-HE está adicionando componentes SRF adicionais para duplicar a energia do LCLS-II. Energias mais altas permitirão que a máquina produza raios X mais curtos e acesse ciência adicional.
Graças à participação do Jefferson Lab nos dois diferentes projetos de atualização do LCLS, a equipe teve uma riqueza de informações sobre as técnicas de preparação utilizadas, bem como os resultados dos testes de desempenho dos componentes.
"Há uma diferença no gradiente de aceleração do pico final, dependendo do processo de dopagem com nitrogênio", disse Eric Lechner, cientista da equipe do Jefferson Lab que liderou o esforço de testes. “Queríamos dar uma olhada em como a rugosidade da superfície é diferente entre esses processos e comparar isso com o desempenho medido nessas cavidades”.
Investigando a rugosidade da superfície
O estudo concentrou-se nos efeitos do eletropolimento sequencial nas amostras de nióbio dopadas com nitrogênio. Após a dopagem, as amostras são eletropolidas para remover as camadas externas da superfície da cavidade. O eletropolimento remove a contaminação da superfície e suaviza a superfície da cavidade.
A equipe já havia desenvolvido um método para produzir amostras padronizadas e submetê-las a um eletropolimento controlado. Eles montaram um novo kit de ferramentas para medir e analisar a topografia da superfície para estimar seu impacto no desempenho. Essas ferramentas incluem microscopia eletrônica de varredura, espectrometria de massa de íons secundários, microscopia de força atômica e difração de retroespalhamento de elétrons.
No processo de dopagem com nitrogênio, o nióbio é exposto ao gás nitrogênio por dois minutos a 800 graus Celsius e, em alguns casos, recozido ou tratado termicamente no vácuo, na mesma temperatura. Durante o processo, formam-se nitretos de nióbio na superfície e devem ser removidos quimicamente para recuperar o bom desempenho de RF.
A equipe reproduziu esses processos em suas amostras controladas e depois investigou as superfícies tratadas com seu kit de ferramentas para ver como a topografia evoluiu.
A equipe descobriu que as diferenças eram particularmente visíveis nos limites dos grãos de nióbio. Esses limites de grão são formados à medida que o metal nióbio usado para produzir as cavidades é transformado em lingotes ou folhas. O nióbio é primeiro derretido e, à medida que esfria, formam-se cristais individuais do metal. Os limites desses cristais individuais são os limites dos grãos que podem ser visíveis a olho nu e através de um microscópio.
O que eles descobriram em suas amostras foi que, além do gás nitrogênio benéfico introduzido na superfície do nióbio durante o processo de dopagem, grandes cristais de compostos de nitreto também se formaram e se aglomeraram preferencialmente em alguns limites de grão do nióbio durante o processo de recozimento.
"É esse gás dentro do nióbio que faz as coisas boas. Os cristais de compostos de nitreto na superfície são realmente uma má notícia, por isso temos que removê-los", explicou Reece.
Esses cristais de nitreto foram removidos durante o eletropolimento, mas deixaram para trás ranhuras triangulares profundas nas quais cresceram. Essas ranhuras amplificam efetivamente o campo magnético local, limitando o quão "alto" o campo de aceleração útil pode ser aumentado.
“Portanto, suspeitamos que isso se deva a um processo chamado amadurecimento de Ostwald, onde os nitretos tendem a se aglomerar durante o processo de recozimento, formando nitretos maiores e mais profundos. , você tem um sulco mais profundo e nítido. Profundo e nítido são duas qualidades de rugosidade superficial que são ruins para o desempenho ", esclareceu Lechner.
O excesso de eletropolimento para remover os nitretos de cristal e aliviar as ranhuras também pode remover o gás nitrogênio benéfico que realmente ajudou a melhorar o desempenho.
“Nossa análise topográfica concorda bem com a tendência de desempenho observada no projeto de P&D LCLS-II HE, bem como com o desempenho de produção de cavidades para LCLS-II e LCLS-II HE, que tiveram diferentes processos de dopagem com nitrogênio”, acrescentou Lechner.
A equipe destacou que o nióbio que produzia o maior desempenho máximo em campo era mais suave.
O que vem a seguir?
Mas o nitrogênio não é o único contaminante promissor na melhoria do desempenho do SRF.
A pesquisa e desenvolvimento no Fermilab mostrou que o tratamento térmico de cavidades de nióbio a ~300 °C usando um aparelho de aquecimento exclusivo proporcionou desempenho de RF semelhante ao doping com nitrogênio.
Com base nesses resultados, pesquisadores da Organização de Pesquisa de Aceleradores de Alta Energia - conhecida como KEK - no Japão e do Instituto de Física de Altas Energias da China descobriram que estavam obtendo eficiências semelhantes à dopagem com nitrogênio com um processo muito mais simples:eles assavam cavidades em locais distantes. temperaturas mais baixas em fornos a vácuo padrão – cerca de 300 a 400
o
Celsius, não adicionei gás nitrogênio, apenas lavei as cavidades e ignorei o eletropolimento.
Os cientistas do Jefferson Lab e outros ficaram tão intrigados com esta premissa que Reece lançou uma investigação sobre o processo.
Ele, Ari Palczewski, Lechner e Jonathan Angle, então estudante de graduação na Virginia Tech, suspeitavam que o oxigênio fosse o principal contaminante do novo método. A sua investigação quantificou este processo tanto experimental como teoricamente, confirmando que o oxigénio era o aditivo. Durante o cozimento, o óxido nativo do nióbio dissolveu-se e difundiu átomos de oxigênio uniformemente em sua superfície.
"Portanto, isso é dopagem com oxigênio, em oposição à dopagem com nitrogênio. Isso pode ser feito com um processo muito mais simples. E esse é um dos tipos de amostras que abordamos", disse Reece.
Tanto a dopagem com nitrogênio quanto a dopagem com oxigênio melhoraram a eficiência de forma quase idêntica, mas como a dopagem com oxigênio é muito mais simples e menos dispendiosa, Lechner disse que é considerada a opção mais atraente para futuras cavidades SRF.
"A análise topográfica sugere que campos de pico mais elevados deveriam ser alcançados nas cavidades dopadas com oxigênio com um processo significativamente mais simples e barato", disse Lechner.
O laboratório continua fazendo bom uso da análise desenvolvida para este estudo, aplicando-a a outros materiais de interesse para aplicações SRF, disse Lechner.
Enquanto isso, a equipe continua avançando em direção ao objetivo de ajustar seu kit de ferramentas e modelo de como os diferentes aspectos da preparação da superfície da cavidade afetam o desempenho do acelerador. Em essência, eles estão procurando como adaptar economicamente a camada superficial superior de 1 mícron de espessura das cavidades do acelerador para atender com confiança aos requisitos de desempenho de aplicações futuras.
“Essa é a chave aqui – não apenas encontrar uma receita que funcione, mas entender o que está acontecendo para que tenhamos conhecimento suficiente para poder adaptá-la”, disse Reece. "Para obter uma superfície que você sabe que será boa - essa é a galinha dos ovos de ouro. Precisamos de menos calor e de campos mais altos, de forma confiável."
