Ускорители элементарных частиц дороги, но их стоимость имеет вескую причину: эти единственные в своем роде современные машины тщательно спроектированы и сконструированы, чтобы помочь нам разгадывать загадки того, из чего состоит наша Вселенная. Тем не менее, ученые и инженеры, создающие эти машины, должны сделать все возможное, чтобы сэкономить там, где они могут. Исследователи из Национального ускорительного комплекса Томаса Джефферсона Министерства энергетики США поддерживают эту миссию, выясняя, как оптимизировать полости, одну из наиболее важных частей ускорителя.

Полости представляют собой трубки из ниобия, металла, который становится сверхпроводящим при чрезвычайно низких температурах, что позволяет полостям проводить большие электромагнитные поля, которые они направляют для эффективного ускорения частиц. Более высокие поля в полости означают, что общий ускоритель может быть короче.

«Ваш ускоритель может иметь длину всего 10 миль вместо 20», — сказал Чарльз Рис, старший физик-ускоритель, ушедший на пенсию из лаборатории Джефферсона в прошлом году. «Это недвижимость. Это большая экономия средств».

Однако поле резонатора нельзя увеличивать бесконечно без последствий. Если оно слишком велико, полость перегреется и потеряет сверхпроводимость. Чтобы создать полости, способные выдерживать самые высокие ускоряющие поля, в лабораториях используются различные рецепты приготовления ниобия. Например, один из процессов, разработанных в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми, готовит полости при температуре 300°С.

«Используя этот процесс, они обнаружили улучшение работы своих полостей, но никто на самом деле не понимал, что происходит», — сказал Эрик Лехнер, научный сотрудник лаборатории Джефферсона. В работе, опубликованной три года назад, Лехнер, Рис и другие исследователи исследовали образцы, приготовленные по этому рецепту, с помощью вторичной ионной масс-спектрометрии, что позволило им изучить состав поверхности ниобия.

Они обнаружили, что кислород вводился неосознанно. Когда полость из чистого ниобия подвергается воздействию воздуха, на ее поверхности образуются оксиды. Во время нагрева оксиды диссоциируют, и входящие в их состав атомы кислорода растворяются на несколько микрометров в щелях кристаллов ниобия.

Тогда ученые-ускорители лаборатории Джефферсона начали разрабатывать математическую модель, описывающую эту диффузию кислорода. В работе, опубликованной в апреле в журнале Журнал прикладной физикиони еще больше расширяют и проверяют эту модель, которая с тех пор достигла зрелости, чтобы предсказать, как более сложные рецепты влияют на диффузию кислорода и производительность полости.

«Эта модель описывает, как естественный оксид на поверхности ниобия диссоциирует и диффундирует в поверхность в зависимости от температуры и времени обжига», — сказал Рис. «Мы можем использовать его для точной настройки подготовки поверхности, чтобы добиться максимально возможной и надежной работы».

Более широкий выбор рецептов

Ранее модель описывала вакуумную термообработку при температуре 300°С. Во время этого процесса на поверхности ниобия разрушается только пятиокись ниобия. Однако для подготовки ниобиевых полостей, где разлагаются дополнительные оксидные компоненты, также обычно используются более высокие температуры, а также гораздо более длительные обжиги при температуре 300°С.

Лехнер приготовил образцы ниобия по другим рецептам. Масс-спектрометрия вторичных ионов, которую проводил Джонатан Энгл, бывший аспирант Технологического института Вирджинии, показала, что модель может отражать основные особенности миграции кислорода при более сложных вакуумных термообработках.

Затем исследователи расширили модель, чтобы описать изменения сверхпроводящих свойств из-за содержания кислорода, введенного во время подготовки поверхности. Они применили эту модель к прошлым экспериментам, чтобы связать содержание кислорода с результирующими характеристиками полости.

Низкотемпературная выпечка обычно включает нагрев камеры при температуре 120°С в течение 24–48 часов. Этот тип рецепта использовался в течение последних 20 лет, поскольку он создает полости, способные выдерживать более сильные поля, но почему он работает, остается загадкой.

«Мы спросили: «Можем ли мы использовать нашу модель, чтобы выяснить, связана ли диффузия кислорода с этим явлением?» — сказал Лехнер. Команда сравнила модель с прошлыми экспериментами при низких температурах и пришла к единому мнению, предполагая, что диффузия кислорода действительно является причиной повышения производительности.

Дальнейший анализ позволил исследователям связать изменения содержания кислорода на поверхности с пиковым полем полости. Результаты заставили исследователей поверить, что кислород меняет поведение ниобия, предотвращая образование магнитных вихрей в материале, которые могут образовываться в сильных полях. Эти магнитные вихри выделяют тепло, ограничивая производительность резонатора. Насыщенный кислородом ниобий позволяет усилить поля, не создавая вихрей и не выделяя слишком много тепла.

«Работа проливает свет на возможный механизм низкотемпературной выпечки, который по-прежнему остается загадкой. Наше моделирование подсказывает, где искать дополнительные экспериментальные подтверждения этой гипотезы», — сказал Лехнер. «Существуют и другие материалы, которые разрабатываются для полостей ускорителей частиц, и понимание этого явления может быть применимо и к ним».

Предсказательная сила

Помимо объяснения того, почему предыдущие рецепты работали, модель показывает, как их можно улучшить.

«Мы добились значительных успехов в понимании характеристик материала, достаточных для того, чтобы получить некоторую предсказательную силу», — сказал Рис. «Теперь мы понимаем достаточно, чтобы отказаться от догадок. Это может привести к большой экономии при строительстве ускорителей».

Команды, готовящие полости для различных проектов ускорителей, могут использовать эту модель для разработки процесса, который обеспечит желаемые свойства. Эти процессы могут включать в себя адаптацию исходных условий, например, намеренное добавление определенного типа оксида на поверхность ниобия. Модель также предполагает, что большее количество кислорода, диффундирующего глубже в ниобий, будет лучше предотвращать образование вихрей.

«В случае низкотемпературной выпечки наша модель предполагает, что если вы сможете насытить поверхность кислородом, вы сможете добиться более высоких результатов», — сказал Лехнер.

Обработка ниобия дорога и эксклюзивна; только несколько мест в мире могут это сделать. Ученые-ускорители надеются, что однажды полностью заменят ниобиевые полости медными полостями, покрытыми тонкой пленкой ниобия, используя методы осаждения.

«Эта работа, описывающая растворение оксида в тонких пленках ниобия, показывает, как это сделать», — сказал Рис. «У нас в лаборатории Джефферсона есть исследовательская программа, которая уже долгое время пытается разработать методы, позволяющие сделать это, и они добиваются успехов».

Тем временем исследователи надеются, что их модель поможет скорректировать рецепты полостей в будущих экспериментах.