L'élaboration de structures d'accélérateurs de particules de classe mondiale a longtemps été un processus semblable à celui de suivre une recette préférée. Bon nombre des échantillons les plus performants sont préparés à l'aide de processus développés par essais et erreurs au cours de décennies d'expérience. Mais récemment, les scientifiques des accélérateurs ont stimulé cette approche empirique de la science avec une contribution plus théorique. Maintenant, leurs efforts commencent à porter leurs fruits.

Les scientifiques des accélérateurs du Thomas Jefferson National Accelerator Facility du département américain de l'Énergie ont développé un modèle pour une méthode de préparation moins chère et plus facile pour obtenir de meilleures performances des accélérateurs de particules. Plus loin, les tests préliminaires du nouveau modèle montrent qu'il pourrait bientôt fournir aux scientifiques la capacité de prédire la meilleure méthode de préparation des matériaux pour des objectifs de performance spécifiques. Les résultats de cette étude ont été récemment publiés dans Lettres de physique appliquée .

Construire des accélérateurs efficaces

De nombreux accélérateurs de particules avancés d'aujourd'hui utilisent la technologie des radiofréquences supraconductrices, ou la technologie SRF. Ces accélérateurs sont alimentés par des structures de forme spéciale appelées cavités accélératrices. Les cavités sont généralement constituées d'un métal appelé niobium. Une fois refroidi à des températures cryogéniques, les cavités accélératrices en niobium deviennent supraconductrices, leur permettant de stocker de grandes quantités d'énergie radiofréquence pour accélérer les particules.

On pensait autrefois que les cavités accélératrices en niobium fonctionnaient mieux si elles étaient constituées du métal de niobium le plus pur et avaient le plus propre, surface exempte de contaminants. Cependant, plusieurs études récentes ont indiqué que l'ajout d'éléments spécifiques à la surface d'une cavité pourrait aider à augmenter son efficacité.

Spécifiquement, les recherches initiales au laboratoire national de l'accélérateur Fermi du DOE ont découvert que l'ajout d'azote à la surface des composants de l'accélérateur de niobium les rend plus efficaces. Les solides résultats empiriques des tests collaboratifs ultérieurs ont convaincu les responsables de la mise à niveau de la source de lumière cohérente Linac d'adopter ce processus, qu'ils appelaient "dopage à l'azote". Le LCLS est situé au SLAC National Accelerator Lab du DOE à Menlo Park, Californie.

Dopage à l'azote

Cavités dopantes à l'azote, cependant, peut être un processus compliqué. Les dernières étapes de préparation d'une recette typique incluent leur cuisson dans un four parfaitement propre à environ 800℃ (environ 1, 500℉) pendant des heures avec ajout d'un peu d'azote gazeux au cours des dernières minutes, en les rinçant avec un jet d'eau ultra-pure à haute pression, puis soumettre les cavités à un traitement acide soigneusement contrôlé appelé électropolissage qui retire essentiellement de la surface de fines couches de matériau à très perte. Après un autre rinçage, les cavités sont prêtes à être testées pour déterminer leur efficacité.

Ce processus long et complexe a donné d'excellents résultats dans les tests requis pour ce projet. Mais, la science de la façon dont la préparation a amélioré les performances - quels changements physiques elle induit dans la surface d'une cavité et comment cela a produit l'effet souhaité - est restée ambiguë. On ne savait pas non plus comment peaufiner certaines parties du processus améliorerait ou limiterait les performances de la cavité de l'accélérateur.

En 2019, Le scientifique du Jefferson Lab, Ari Palczewski, a décidé de changer cela. Il a reçu un DOE Early Career Award de l'Office of Nuclear Physics pour développer un modèle théorique de la façon dont les différentes étapes de traitement correspondent aux performances attendues dans les cavités d'accélérateur qui ont été dopées à l'azote.

Palczewski a adopté une approche multidisciplinaire de la recherche. Il a intégré Eric Lechner en tant que boursier postdoctoral au SRF Institute du Jefferson Lab. Lechner applique son expertise théorique au projet. Il a commencé par déconstruire la mécanique de la façon dont les recettes de dopage à l'azote modifient la surface du niobium.

"Essentiellement, ce qui se passe, c'est que vous permettez à certaines impuretés de pénétrer à la surface du niobium, qui constitue vos cavités accélératrices SRF. Nous parlons de quelques micromètres environ. Cela améliore les propriétés du supraconducteur, " a expliqué Lechner.

Il a analysé des échantillons préparés avec Jonathan Angle, un étudiant diplômé du programme de science et d'ingénierie des matériaux à Virginia Tech. Angle a utilisé une technique appelée spectrométrie de masse d'ions secondaires pour balayer la surface et les profondeurs du matériau afin de caractériser la façon dont l'azote était distribué dans le niobium par différentes techniques de préparation.

De l'azote à l'oxygène

Alors que cette recherche se déroulait bien, l'équipe a bientôt eu des raisons de changer de vitesse.

Des chercheurs de la High Energy Accelerator Research Organization (KEK) au Japon ont commencé à rapporter des efficacités rivalisant avec celles des cavités accélératrices dopées à l'azote à partir de cavités qui avaient reçu une méthode de traitement beaucoup moins onéreuse. Essentiellement, les chercheurs du KEK avaient cuit des cavités dans un four à des températures beaucoup plus basses, à seulement 300-400 ℃, puis avaient simplement rincé les cavités et les avaient testées. Ces résultats ont intrigué les scientifiques des accélérateurs du Jefferson Lab.

Plus loin, le projet de début de carrière axé sur le dopage à l'azote touchait à sa fin avec le départ de Palczewski, qui avait poursuivi différents défis dans l'industrie.

Charlie Reece, un physicien senior des accélérateurs à l'Institut SRF, puis a fait une proposition pour que la ligne de recherche se concentre sur le processus de préparation alternatif prometteur.

Lechner et Angle se sont mis au travail pour préparer les cavités en utilisant le processus le plus simple. Ils ont ensuite analysé les surfaces des cavités.

"Jonathan et moi l'avons étudié avec la technique de spectrométrie de masse à ions secondaires. Et c'est là que nous avions découvert que le principal contaminant dans ce cas était l'oxygène plutôt que l'azote, il a donc joué un rôle similaire dans l'amélioration des performances, " a déclaré Lechner.

Il a dit que l'oxygène vient de la surface du niobium lui-même. C'est parce que les oxydes, qui contiennent principalement les atomes d'oxygène, se forment toujours à la surface du métal en cas d'exposition à l'air.

"Quand tu le chauffes, l'oxyde commence à se dissoudre, et l'oxygène qui est libéré au cours de ce processus finit par se dissoudre à la surface du niobium dans un processus de diffusion, " a expliqué Lechner.

Le résultat est un nouveau, couche superficielle mince composée d'un alliage niobium-oxygène. Et parce que l'oxygène provient des oxydes naturellement présents sur toutes les surfaces de la cavité, l'oxygène se diffuse uniformément dans tous les coins et recoins.

"Tout simplement, ce processus est plus simple, moins cher, et travaille sur n'importe quelle géométrie ou conception de cavité d'accélérateur, " a déclaré Reece.

La théorie éclaire

"Une grande partie de l'effort derrière ce travail a été d'essayer de comprendre le mécanisme derrière l'introduction d'oxygène dans la surface. Il n'y a pas beaucoup de modèles là-bas qui prédisent ce qui se passe lorsque vous faites cuire une cavité dans cette plage de température, " a déclaré Lechner.

Mais un modèle qui s'est démarqué est venu d'un autre des propres chercheurs de Jefferson Lab :Gigi Ciovati. Tout en travaillant sur son doctorat. thèse en 2006, Ciovati avait développé un modèle théorique sur la dissolution de l'oxyde de niobium et la diffusion de l'oxygène pour expliquer la migration de l'oxygène à des températures autour de 100-200℃.

"Gigi avait développé un modèle assez sympa qui expliquait cet effet, " a commenté Lechner. " Cette modélisation vous permet de développer un profil d'oxygène dans la surface qui est personnalisable, vous pouvez donc essayer de développer une recette de chauffage pour améliorer le facteur de qualité [comment bien la cavité fonctionne] de manière optimale. Et aussi, vous pourriez être en mesure de concevoir un profil d'oxygène qui améliore le gradient d'accélération maximal dans la cavité, qui vous indique la quantité d'énergie que vous pouvez y stocker."

Cependant, à l'époque, Ciovati n'avait pas accès à la technique de spectrométrie de masse d'ions secondaires pour vérifier ce qui se passait entre le niobium et l'oxygène à la surface. Lechner et Angle ont pu utiliser le modèle de Ciovati et ce qu'ils ont appris de la spectrométrie de masse d'ions secondaires pour appliquer le modèle à leurs nouveaux échantillons.

Cette phase du travail visait à prendre le modèle analytique que Ciovati avait développé et à l'utiliser pour construire un nouveau modèle numérique qui permettrait aux constructeurs d'accélérateurs d'affiner leurs recettes pour obtenir des cavités d'accélérateur plus efficaces.

"Maintenant, nous essayons de développer un modèle numérique qui nous aidera à adapter un profil près de la surface de sorte qu'il optimise le facteur de qualité et le champ d'accélération, " a déclaré Lechner.

En cas de succès, le nouveau modèle permettra aux constructeurs d'accélérateurs de composer en toute confiance la recette optimale pour l'amélioration de l'efficacité dont ils ont besoin. Ce serait, pour la première fois, permettre la personnalisation de la recette de préparation de la structure de l'accélérateur sans perte de temps inutile à cause d'essais et d'erreurs en aveugle.

"L'objectif de cette recherche est d'ouvrir la fenêtre sur la prévisibilité. Nous voulons concevoir le processus de manière réfléchie, afin que nous puissions concevoir avec succès le processus qui nous donnera de manière fiable le résultat souhaité, " a déclaré Reece.

Lechner a déclaré que l'équipe obtient déjà des résultats prometteurs du nouveau modèle, mais suggère que des améliorations à la modélisation peuvent encore être apportées.

"C'est encore un travail en cours. Nous cherchons à tester ce modèle maintenant, " il ajouta.

Les premiers résultats ont été publiés récemment dans Lettres de physique appliquée et reconnu comme remarquable par sélection en tant que contribution Editors Pick.