Avec chaque nouvel accélérateur de particules construit pour la recherche, les scientifiques ont l’opportunité de repousser les limites de la découverte. Mais cela n’est vrai que si les nouveaux accélérateurs de particules offrent les performances souhaitées – ce qui n’est pas une mince affaire dans un monde où chaque nouvelle machine est une première en son genre. À chaque opportunité de projet, les chercheurs tentent d'affiner les méthodes de préparation des composants clés afin d'obtenir un « meilleur rapport qualité-prix ».
Les scientifiques des accélérateurs du Thomas Jefferson National Accelerator Facility du département américain de l’Énergie ont dirigé ce processus de raffinement. S'appuyant sur des décennies d'apprentissage empirique, ils cataloguent la manière dont les composants des accélérateurs de particules sont fabriqués, à quoi ressemble la microrugosité de la surface et comment tout cela affecte les performances des composants. Leur objectif ultime est une méthode fonctionnelle permettant d'étudier et de prédire les performances ultimes d'un accélérateur de particules, en fonction de la recette spécifique utilisée pour préparer ses pièces.
"Nous essayons de trouver un moyen de comprendre les différentes choses qui se passent, puis, avec cette compréhension, d'élaborer un processus très intentionnel", a expliqué Charles Reece, physicien principal des accélérateurs qui a pris sa retraite du SRF Institute du Jefferson Lab l'année dernière. /P>
Aujourd’hui, l’équipe a étudié plusieurs traitements de surface représentatifs pour tester leur méthodologie. Ils ont découvert que non seulement il prédit avec succès les performances, mais qu'il laisse également entrevoir des traitements de surface encore meilleurs, non encore testés à grande échelle. Les résultats apparaissent dans Accélérateurs et faisceaux d'examen physique .
La base de pratiquement tous les accélérateurs de particules avancés sont des structures appelées cavités radiofréquence, généralement constituées de niobium métallique. Lorsqu'elles sont surfondues à des températures proches du zéro absolu, les cavités en niobium deviennent supraconductrices. Cette technologie est le seul moyen de construire des accélérateurs de particules à grande échelle et économes en énergie.
Pendant des décennies, les scientifiques des accélérateurs ont cru que les meilleures cavités supraconductrices à radiofréquence (SRF) étaient constituées du niobium le plus pur avec des surfaces exemptes de contaminants. L'installation d'accélérateur à faisceau d'électrons continu (CEBAF) du Jefferson Lab, par exemple, est construite avec des cavités en niobium pur. Le CEBAF est un établissement utilisateur du Bureau de la science qui abrite plus de 1 900 physiciens nucléaires dans le monde entier.
Cependant, ces dernières années, les chercheurs du DOE ont découvert qu'un peu de contaminant, par exemple de l'azote, déposé sur la surface du niobium pouvait améliorer les performances d'une cavité en produisant encore moins de chaleur. Ce processus de « dopage à l'azote » a été découvert au Laboratoire national des accélérateurs Fermi (Fermilab) du DOE. Le processus améliore les performances en diffusant un peu d'azote gazeux dans la surface du matériau niobium.
Les performances des premiers traitements de dopage à l'azote étaient si fortes qu'elles ont été choisies à deux reprises pour la mise à niveau du laser à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS) du laboratoire national des accélérateurs SLAC du DOE en Californie. Le Laboratoire Fermi a mené une collaboration multi-laboratoires pour établir rapidement de nouvelles normes pour les matériaux et les méthodes de traitement utilisés pour ces accélérateurs à haut rendement.
"Ces deux projets utilisent tous deux le dopage à l'azote, mais deux recettes différentes. Et il a été observé que la répartition des champs de pic que les cavités pouvaient atteindre était désormais différente entre les deux recettes. La question est donc de savoir pourquoi ?" dit Reece.
Les deux projets de mise à niveau du LCLS sont LCLS-II et LCLS-II-HE. Le projet LCLS-II était une mise à niveau pluriannuelle d'un montant de 1,1 milliard de dollars qui a ajouté les premiers composants SRF à la machine. Cette mise à niveau de la technologie de l'accélérateur SRF permet au laser de produire jusqu'à un million d'impulsions de rayons X par seconde, soit 8 000 fois plus que son prédécesseur. LCLS-II-HE ajoute des composants SRF supplémentaires pour doubler l'énergie de LCLS-II. Des énergies plus élevées permettront à la machine de produire des rayons X plus courts et d'accéder à des connaissances scientifiques supplémentaires.
Grâce à la participation de Jefferson Lab aux deux différents projets de mise à niveau du LCLS, l'équipe disposait d'une mine d'informations sur les techniques de préparation utilisées, ainsi que sur les résultats des tests de performances des composants.
"Il existe une différence dans le gradient d'accélération maximal ultime, en fonction du processus de dopage à l'azote", a déclaré Eric Lechner, scientifique du Jefferson Lab qui a dirigé les tests. "Nous voulions examiner en quoi la rugosité de surface est différente entre ces processus et la comparer aux performances mesurées dans ces cavités."
L'étude s'est concentrée sur les effets de l'électropolissage séquentiel sur les échantillons de niobium dopés à l'azote. Après dopage, les échantillons sont électropolis pour éliminer les couches externes de la surface de la cavité. L'électropolissage élimine à la fois la contamination de surface et lisse la surface de la cavité.
L'équipe avait déjà développé une méthode pour produire des échantillons standardisés et les soumettre à un électropolissage contrôlé. Ils avaient assemblé une nouvelle boîte à outils permettant de mesurer et d'analyser la topographie de la surface afin d'estimer son impact sur les performances. Ces outils incluent la microscopie électronique à balayage, la spectrométrie de masse des ions secondaires, la microscopie à force atomique et la diffraction par rétrodiffusion des électrons.
Dans le processus de dopage à l'azote, le niobium est exposé à l'azote gazeux pendant deux minutes à 800 degrés Celsius et, dans certains cas, recuit ou traité thermiquement sous vide à cette même température. Au cours du processus, des nitrures de niobium se forment à la surface et doivent être éliminés chimiquement pour retrouver de bonnes performances RF.
L'équipe a reproduit ces processus sur leurs échantillons contrôlés, puis a étudié les surfaces telles que traitées avec leur boîte à outils pour voir comment la topographie a évolué.
L’équipe a constaté que les différences étaient particulièrement visibles aux limites des grains de niobium. Ces joints de grains se forment lorsque le niobium métallique utilisé pour produire les cavités est transformé en lingots ou en feuilles. Le niobium est d’abord fondu et, en refroidissant, des cristaux individuels du métal se forment. Les limites de ces cristaux individuels sont les limites des grains qui peuvent être visibles à l'œil nu et au microscope.
Ce qu'ils ont découvert dans leurs échantillons, c'est qu'en plus de l'azote gazeux bénéfique introduit dans la surface du niobium pendant le processus de dopage, de gros cristaux de composé de nitrure se formaient également et s'agglutinaient préférentiellement à certaines limites de grains du niobium pendant le processus de recuit. /P>
"C'est ce gaz contenu dans le niobium qui fait du bien. Les cristaux de composés de nitrure à la surface sont vraiment une mauvaise nouvelle, nous devons donc les éliminer", a expliqué Reece.
Ces cristaux de nitrure ont été éliminés lors de l'électropolissage, mais ont laissé derrière eux de profondes rainures triangulaires dans lesquelles ils s'étaient développés. De telles rainures amplifient efficacement le champ magnétique local, limitant le niveau de "fort" du champ accélérateur utile.
"Nous soupçonnons donc que cela est dû à un processus appelé maturation d'Ostwald, dans lequel les nitrures auront tendance à s'agglutiner pendant le processus de recuit, formant des nitrures plus gros et plus profonds. Et puis, pendant le processus d'électropolissage, ce creux plus profond est préférentiellement attaqué. , vous obtenez une rainure plus profonde et plus nette sont deux qualités de rugosité de surface qui sont mauvaises pour les performances", a précisé Lechner.
Trop d'électropolissage pour éliminer les nitrures cristallins et atténuer les rainures pourrait également éliminer l'azote gazeux bénéfique qui a réellement contribué à améliorer les performances.
"Notre analyse topographique est en bon accord avec la tendance des performances observée dans le projet R&D LCLS-II HE ainsi qu'avec les performances de production de cavités pour LCLS-II et LCLS-II HE, qui avaient des processus de dopage à l'azote différents", a ajouté Lechner. P>
L'équipe a souligné que le niobium produisant les performances de champ maximales les plus élevées était plus fluide.
Mais l'azote n'est pas le seul contaminant prometteur pour améliorer les performances du SRF.
La R&D du Laboratoire Fermi a montré que le traitement thermique des cavités en niobium à environ 300 °C à l'aide d'un appareil de chauffage unique donnait des performances RF similaires à celles du dopage à l'azote.
En s'appuyant sur ces résultats, des chercheurs de l'Organisation de recherche sur les accélérateurs de haute énergie (connue sous le nom de KEK) au Japon et de l'Institut chinois de physique des hautes énergies ont découvert qu'ils obtenaient des efficacités similaires à celles du dopage à l'azote avec un processus beaucoup plus simple :ils ont cuit des cavités à une distance très éloignée. températures plus basses dans les fours à vide standards :environ 300 à 400 o Celsius, je n'ai pas ajouté d'azote gazeux, puis j'ai simplement rincé les cavités et sauté l'électropolissage.
Les scientifiques du Jefferson Lab et d'autres ont été tellement intrigués par cette hypothèse que Reece a lancé une enquête sur le processus.
Lui, Ari Palczewski, Lechner et Jonathan Angle, alors étudiant diplômé à Virginia Tech, soupçonnaient que l'oxygène était le principal contaminant de la nouvelle méthode. Leurs recherches ont quantifié ce processus à la fois expérimentalement et théoriquement, confirmant que l'oxygène était l'additif. Pendant la cuisson, l'oxyde natif du niobium a dissous et diffusé les atomes d'oxygène uniformément à sa surface.
"Il s'agit donc d'un dopage à l'oxygène par opposition au dopage à l'azote. Cela peut être réalisé avec un processus beaucoup plus simple. Et c'est donc l'un des types d'échantillons que nous avons étudiés", a déclaré Reece.
Le dopage à l'azote et le dopage à l'oxygène ont amélioré l'efficacité de manière presque identique, mais comme le dopage à l'oxygène est beaucoup plus simple et moins coûteux, Lechner a déclaré qu'il est considéré comme l'option la plus attrayante pour les futures cavités SRF.
"L'analyse topographique suggère que des champs de crête plus élevés devraient être possibles dans les cavités dopées à l'oxygène avec un processus nettement plus simple et moins cher", a déclaré Lechner.
Le laboratoire continue de faire bon usage de l'analyse développée pour cette étude, en l'appliquant à d'autres matériaux d'intérêt pour les applications SRF, a déclaré Lechner.
Entre-temps, l’équipe continue d’avancer vers son objectif consistant à affiner sa boîte à outils et son modèle sur la manière dont différents aspects de la préparation de la surface des cavités affectent les performances de l’accélérateur. Essentiellement, ils cherchent comment adapter de manière économique la couche superficielle supérieure de 1 micron d'épaisseur des cavités d'accélérateur pour répondre en toute confiance aux exigences de performances des applications futures.
"C'est l'essentiel ici :pas seulement trouver une recette qui fonctionne, mais comprendre ce qui se passe afin que nous soyons suffisamment informés pour pouvoir l'adapter", a déclaré Reece. "Obtenir une surface dont vous savez qu'elle sera bonne, c'est la poule aux œufs d'or. Nous avons besoin à la fois de moins de chaleur et de champs plus élevés, de manière fiable."
Plus d'informations : Eric M. Lechner et al, Evolution topographique du Nb traité thermiquement lors de l'électropolissage pour les applications RF supraconductrices, Physical Review Accelerators and Beams (2023). DOI :10.1103/PhysRevAccelBeams.26.103101
Fourni par Thomas Jefferson National Accelerator Facility
