Nowy zestaw narzędzi pomaga monitorować i poprawiać wydajność nadprzewodzących wnęk o częstotliwości radiowej w akceleratorach cząstek, zapewniając gładsze powierzchnie wewnętrzne i analizując zanieczyszczenia we wnękach niobowych.
Nadprzewodzące wnęki o częstotliwości radiowej (SRF) są niezbędne do działania zaawansowanych akceleratorów cząstek. Stanowią kluczową część systemów zasilających pola elektromagnetyczne przyspieszające cząstki subatomowe. Na wydajność tych wnęk wpływa czystość, kształt i gładkość ich wewnętrznych powierzchni.
Ulepszanie ubytków SRF za pomocą nowych zestawów narzędzi
Naukowcy opracowali nowy zestaw narzędzi umożliwiający konstruktorom akceleratorów lepsze monitorowanie i kontrolowanie właściwości powierzchni wewnętrznych wnęk. Testy wykazały, że gładsze wgłębienia SRF działają wydajniej, wykazując, że gładkość powierzchni bezpośrednio koreluje z wydajnością. Zestaw narzędzi umożliwia również przewidywanie wydajności ubytku poprzez ilościową ocenę gładkości powierzchni ubytku.
Rola niobu w przyspieszaniu cząstek
Wnęki SRF wykonane z niobu stanowią standard w zakresie wydajnego przyspieszania wiązek cząstek o dużej mocy. Dodanie zanieczyszczeń do ubytków niobu może jeszcze bardziej zwiększyć ich skuteczność. Jednak te ulepszone wnęki nie są w stanie wytrzymać operacji wymagających dużej mocy tak dobrze, jak wnęki z czystego niobu. W badaniu tym badano chropowatość powierzchni ubytków z dodatkiem azotu lub tlenu.
Wynik podkreśla kluczową rolę, jaką topografia powierzchni odgrywa w wydajności. Zasugerowano również, że tlen zapewni najtańszy wzrost wydajności. Celem zestawu narzędzi opracowanego w ramach tych badań jest pomoc naukowcom zajmującym się akceleratorami w tworzeniu lepszych wnęk SRF dla przyszłych akceleratorów poprzez kontrolowanie gładkości powierzchni i zanieczyszczeń.
Badanie topografii i wydajności wnęki
Naukowcy zajmujący się akceleratorami cząstek opracowali nowatorski zestaw narzędzi do badania topografii wnęki SRF i jej wpływu na wydajność. Zestaw narzędzi powstał w oparciu o dziesięciolecia badań empirycznych nad obróbką powierzchniową wnęk SRF z niobu. W tej pracy zespół wykorzystał zestaw narzędzi do zbadania próbek poddanych obróbce według tej samej receptury, co w przypadku ubytków przyjętych w projektach modernizacji w Źródło światła spójnego Linacobiekt użytkownika Departamentu Energii (DOE). Te ulepszenia są najnowszymi dodatkami DOE do floty akceleratorów SRF.
Wpływ granic ziaren na wydajność SRF
Badania wykazały, że granice ziaren utworzone podczas wytwarzania niobu metalicznego odgrywają rolę w wydajności. Rowki powstają wzdłuż granic ziaren po chemicznej obróbce niobu domieszkowanego azotem. Pomiary mikroskopem sił atomowych w połączeniu z algorytmem opartym na różnicowej geometrii powierzchni pozwalają przewidzieć współczynnik tłumienia pola przegrzania spowodowanego tymi rowkami. Stwierdzono, że rowki pogarszają wydajność wnęki SRF z powodu wczesnego rozkładu domieszkowanych powierzchni. Zatem gładsza powierzchnia zapewniłaby lepszą wydajność w przypadku wyższych pól.
Naukowcy dokonali także nowych pomiarów próbek niobu przygotowanych w uproszczonym procesie domieszkowania tlenem. Te próbki wnęk wykazały lepszą topografię. Oznacza to, że kontrolowanie gładkości powierzchni i profilu zanieczyszczeń może pomóc w zwiększeniu wydajności zarówno w polach o wysokiej wydajności, jak i w wysokich polach, co będzie pomocne w przyszłych akceleratorach SRF DOE, takich jak Zderzacz Elektronowo-Jonowy (EIC).
Odniesienie: „Topograficzna ewolucja poddanego obróbce cieplnej Nb po elektropolerowaniu w zastosowaniach nadprzewodzących rf” Erica M. Lechnera, Jonathana W. Angle’a, Carrie Baxley, Michaela J. Kelleya i Charlesa E. Reece’a, 10 października 2023 r., Akceleratory i wiązki przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevAccelBeams.26.103101
Niniejszy materiał powstał na podstawie prac wspieranych przez Biuro Naukowe Departamentu Energii, Biuro Fizyki Jądrowej, nagrodę Office of Nuclear Physics Early Career Award oraz Biuro Naukowe Departamentu Energii, Biuro Fizyki Wysokich Energii.
