Glattere Oberflächen sorgen für bessere Beschleuniger

Mit jedem neuen Teilchenbeschleuniger, der für die Forschung gebaut wird, haben Wissenschaftler die Möglichkeit, die Grenzen der Entdeckung zu erweitern. Dies gilt jedoch nur, wenn neue Teilchenbeschleuniger die gewünschte Leistung erbringen – keine Kleinigkeit in einer Welt, in der jede neue Maschine eine Premiere ihrer Art ist. Bei jeder Projektmöglichkeit versuchen Forscher, die Herstellungsmethoden der Schlüsselkomponenten zu verfeinern, um ein „besseres Preis-Leistungs-Verhältnis“ zu erzielen.

Beschleunigerwissenschaftler der Thomas Jefferson National Accelerator Facility des US-Energieministeriums haben diesen Verfeinerungsprozess geleitet. Aufbauend auf jahrzehntelangem empirischem Lernen katalogisieren sie, wie Teilchenbeschleunigerkomponenten hergestellt werden, wie die Mikrorauheit der Oberfläche ist und wie sich all dies auf die Leistung der Komponenten auswirkt. Ihr ultimatives Ziel ist eine funktionale Methode zur Untersuchung und Vorhersage der ultimativen Leistung eines Teilchenbeschleunigers auf der Grundlage der spezifischen Rezeptur, die zur Herstellung seiner Teile verwendet wird.

„Wir versuchen, einen Weg zu finden, die verschiedenen Vorgänge zu verstehen und dann mit diesem Verständnis einen Prozess zu entwickeln, der sehr gezielt ist“, erklärte Charles Reece, ein leitender Beschleunigerphysiker, der letztes Jahr vom SRF Institute des Jefferson Lab in den Ruhestand ging.

Nun hat das Team mehrere repräsentative Oberflächenbehandlungen untersucht, um ihre Methodik zu testen. Sie haben herausgefunden, dass es nicht nur die Leistung erfolgreich vorhersagt, sondern auch auf noch bessere Oberflächenbehandlungen hinweist, die noch nicht in großem Maßstab getestet wurden. Die Ergebnisse erscheinen In Beschleuniger und Strahlen für die physikalische Überprüfung.

Niob-Oberflächenvorbereitung

Das Rückgrat praktisch aller fortschrittlichen Teilchenbeschleuniger sind Strukturen, die Hochfrequenzhohlräume genannt werden und typischerweise aus dem Metall Niob bestehen. Bei Unterkühlung auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt werden Niobhohlräume supraleitend. Nur mit dieser Technologie können energieeffiziente Teilchenbeschleuniger im Großmaßstab gebaut werden.

Jahrzehntelang glaubten Beschleunigerwissenschaftler, dass die besten supraleitenden Hochfrequenzhohlräume (SRF) aus reinstem Niob mit kontaminationsfreien Oberflächen bestehen. Die Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) des Jefferson Lab beispielsweise besteht aus Hohlräumen aus reinem Niob. CEBAF ist eine Benutzereinrichtung des Office of Science, die mehr als 1.900 Kernphysikern weltweit als Forschungsstandort dient.

In den letzten Jahren entdeckten DOE-Forscher jedoch, dass ein wenig Verunreinigungen – zum Beispiel Stickstoff –, die auf die Oberfläche des Niobiums eingebrannt werden, die Leistung eines Hohlraums verbessern könnten, indem sie noch weniger Wärme erzeugen. Dieser Prozess der „Stickstoffdotierung“ wurde im Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) des DOE entdeckt. Der Prozess verbessert die Leistung, indem etwas Stickstoffgas in die Oberfläche des Niobmaterials diffundiert.

Die Leistung der ersten Stickstoffdotierungsbehandlungen war so stark, dass sie zweimal für die Aufrüstung des Linac Coherent Light Source (LCLS)-Röntgenlasers am SLAC National Accelerator Laboratory des DOE in Kalifornien ausgewählt wurde. Fermilab leitete eine Zusammenarbeit mehrerer Labore, um schnell neue Standards für die Materialien und Verarbeitungsmethoden zu etablieren, die für solche hocheffizienten Beschleuniger verwendet werden.

„Diese beiden Projekte verwenden beide Stickstoffdotierung, aber zwei unterschiedliche Rezepturen. Und es wurde beobachtet, dass die Verteilung der Peakfelder, die die Hohlräume erreichen konnten, zwischen den beiden Rezepturen unterschiedlich war. Die Frage ist also, warum?“ sagte Reece.

Die beiden Projekte zur Modernisierung des LCLS sind LCLS-II und LCLS-II-HE. Das LCLS-II-Projekt war ein mehrjähriges, 1,1 Milliarden US-Dollar teures Upgrade, bei dem der Maschine die ersten SRF-Komponenten hinzugefügt wurden. Dieses Upgrade auf die SRF-Beschleunigertechnologie ermöglicht es dem Laser, bis zu einer Million Röntgenimpulse pro Sekunde zu erzeugen, 8.000 Mal mehr als sein Vorgänger. LCLS-II-HE fügt zusätzliche SRF-Komponenten hinzu, um die Energie von LCLS-II zu verdoppeln. Höhere Energien ermöglichen es der Maschine, kürzere Röntgenstrahlen zu erzeugen und Zugang zu zusätzlichen wissenschaftlichen Erkenntnissen zu erhalten.

Dank der Beteiligung von Jefferson Lab an den beiden verschiedenen Upgrade-Projekten für LCLS verfügte das Team über umfangreiche Informationen zu den verwendeten Vorbereitungstechniken sowie über die Ergebnisse der Komponentenleistungstests.

„Abhängig vom Stickstoffdotierungsprozess gibt es einen Unterschied im maximalen Beschleunigungsgradienten“, sagte Eric Lechner, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Jefferson Lab, der die Testbemühungen leitete. „Wir wollten einen Blick darauf werfen, wie sich die Oberflächenrauheit zwischen diesen Prozessen unterscheidet, und diese mit der in diesen Hohlräumen gemessenen Leistung vergleichen.“

Untersuchung der Oberflächenrauheit

Die Studie konzentrierte sich auf die Auswirkungen des sequentiellen Elektropolierens auf die stickstoffdotierten Niobproben. Nach der Dotierung werden die Proben elektropoliert, um äußere Schichten von der Hohlraumoberfläche zu entfernen. Durch Elektropolieren werden sowohl Oberflächenverunreinigungen entfernt als auch die Oberfläche der Kavität geglättet.

Das Team hatte bereits eine Methode entwickelt, um standardisierte Proben herzustellen und diese einer kontrollierten Elektropolitur zu unterziehen. Sie hatten ein neuartiges Toolkit zusammengestellt, mit dem sich die Oberflächentopographie messen und analysieren lässt, um deren Auswirkungen auf die Leistung abzuschätzen. Zu diesen Werkzeugen gehören Rasterelektronenmikroskopie, Sekundärionen-Massenspektrometrie, Rasterkraftmikroskopie und Elektronenrückstreubeugung.

Beim Stickstoffdotierungsprozess wird das Niob zwei Minuten lang Stickstoffgas bei 800 Grad Celsius ausgesetzt und in einigen Fällen im Vakuum bei derselben Temperatur weiter geglüht oder wärmebehandelt. Während des Prozesses bilden sich Niobnitride auf der Oberfläche und müssen chemisch entfernt werden, um eine gute HF-Leistung wiederherzustellen.

Das Team reproduzierte diese Prozesse an seinen kontrollierten Proben und untersuchte dann die behandelten Oberflächen mit seinem Toolkit, um zu sehen, wie sich die Topographie im Laufe der Zeit entwickelte.

Das Team stellte fest, dass die Unterschiede besonders an den Niob-Korngrenzen sichtbar waren. Diese Korngrenzen entstehen, wenn das zur Herstellung der Hohlräume verwendete Niobmetall zu Barren oder Blechen verarbeitet wird. Das Niob wird zunächst geschmolzen und beim Abkühlen bilden sich einzelne Kristalle des Metalls. Die Grenzen dieser einzelnen Kristalle sind die Korngrenzen, die mit bloßem Auge und durch ein Mikroskop sichtbar sind.

Sie fanden in ihren Proben heraus, dass sich zusätzlich zu dem nützlichen Stickstoffgas, das während des Dotierungsprozesses in die Oberfläche des Niobs eingebracht wurde, auch große Kristalle der Nitridverbindung bildeten und sich während des Glühprozesses vorzugsweise an einigen Korngrenzen des Niobs verklumpten.

„Es ist das Gas im Niob, das die guten Dinge bewirkt. Die Nitridverbindungskristalle auf der Oberfläche sind wirklich schlechte Nachrichten, also müssen wir sie entfernen“, erklärte Reece.

Diese Nitridkristalle wurden während des Elektropolierens entfernt, hinterließen jedoch tiefe dreieckige Rillen, in denen sie eingewachsen waren. Solche Rillen verstärken effektiv das lokale Magnetfeld und begrenzen die „Lautstärke“, mit der das nützliche Beschleunigungsfeld aufgedreht werden kann.

„Wir vermuten also, dass dies auf einen Prozess namens Ostwald-Reifung zurückzuführen ist, bei dem Nitride dazu neigen, während des Glühprozesses zusammenzuklumpen und größere Nitride zu bilden, die tiefer liegen. Und dann, während des Elektropolierprozesses, wird dieses tiefere Tal bevorzugt angegriffen.“ „Sie haben eine tiefere und schärfere Rille. Tief und scharf sind zwei Oberflächenrauheitsqualitäten, die sich negativ auf die Leistung auswirken“, stellte Lechner klar.

Zu viel Elektropolieren, um die Kristallnitride zu entfernen und die Rillenbildung zu mildern, könnte auch das nützliche Stickstoffgas entfernen, das tatsächlich zur Leistungsverbesserung beigetragen hat.

„Unsere topografische Analyse stimmt gut mit dem Leistungstrend überein, der im Forschungs- und Entwicklungsprojekt LCLS-II HE beobachtet wurde, sowie mit der Hohlraumproduktionsleistung für LCLS-II und LCLS-II HE, die unterschiedliche Stickstoffdotierungsprozesse hatten“, fügte Lechner hinzu.

Das Team betonte, dass das Niob, das die höhere maximale Feldleistung lieferte, glatter war.

Was kommt als nächstes?

Aber Stickstoff ist nicht der einzige Schadstoff, der vielversprechend für die Verbesserung der SRF-Leistung ist.

Forschung und Entwicklung bei Fermilab zeigten, dass die Wärmebehandlung von Niob-Hohlräumen bei ~300 °C mit einem einzigartigen Heizgerät eine HF-Leistung erbrachte, die der Stickstoffdotierung ähnelt.

Aufbauend auf diesen Ergebnissen stellten Forscher der High Energy Accelerator Research Organisation – bekannt als KEK – in Japan und des chinesischen Instituts für Hochenergiephysik fest, dass sie mit einem viel einfacheren Verfahren ähnliche Wirkungsgrade wie Stickstoffdotierung erzielten: Sie backten Hohlräume auf Distanz Niedrigere Temperaturen in Standard-Vakuumöfen – etwa 300 bis 400 °C, kein Stickstoffgas hinzugefügt, dann nur die Hohlräume abgespült und die Elektropolitur weggelassen.

Wissenschaftler des Jefferson Lab und andere waren von dieser Prämisse so fasziniert, dass Reece eine Untersuchung des Prozesses einleitete.

Er, Ari Palczewski, Lechner und Jonathan Angle, damals Doktorand an der Virginia Tech, vermuteten, dass Sauerstoff die Hauptverunreinigung der neuen Methode sei. Ihre Forschung quantifizierte diesen Prozess sowohl experimentell als auch theoretisch und bestätigte, dass Sauerstoff der Zusatzstoff war. Während des Backens löste sich das native Oxid des Niobs auf und diffundierte Sauerstoffatome gleichmäßig in seine Oberfläche.

„Das ist also eine Sauerstoffdotierung im Gegensatz zur Stickstoffdotierung. Dies kann mit einem viel einfacheren Verfahren durchgeführt werden. Und das ist eine der Arten von Proben, mit denen wir uns befasst haben“, sagte Reece.

Sowohl die Dotierung mit Stickstoff als auch die Dotierung mit Sauerstoff verbesserten die Effizienz nahezu identisch. Da die Dotierung mit Sauerstoff jedoch viel einfacher und kostengünstiger ist, gilt sie laut Lechner als die attraktivere Option für zukünftige SRF-Hohlräume.

„Die topografische Analyse legt nahe, dass in den sauerstoffdotierten Hohlräumen mit einem deutlich einfacheren und kostengünstigeren Verfahren höhere Spitzenfelder erreichbar sein sollten“, sagte Lechner.

Das Labor nutzt die für diese Studie entwickelte Analyse weiterhin sinnvoll und wendet sie auf andere Materialien an, die für SRF-Anwendungen von Interesse sind, sagte Lechner.

In der Zwischenzeit nähert sich das Team weiterhin seinem Ziel, sein Toolkit und Modell zu verfeinern, das zeigt, wie sich verschiedene Aspekte der Hohlraumoberflächenvorbereitung auf die Beschleunigerleistung auswirken. Im Wesentlichen geht es ihnen darum, die oberste 1 Mikrometer dicke Oberflächenschicht von Beschleunigerhohlräumen wirtschaftlich so anzupassen, dass sie den Leistungsanforderungen künftiger Anwendungen zuverlässig gerecht wird.

„Das ist hier das Wichtigste – nicht nur ein Rezept zu finden, das zufällig funktioniert, sondern auch zu verstehen, was vor sich geht, damit wir über das nötige Wissen verfügen, um es maßgeschneidert anpassen zu können“, sagte Reece. „Um eine Oberfläche zu bekommen, von der Sie wissen, dass sie gut sein wird – das ist die goldene Gans. Wir brauchen sowohl weniger Wärme als auch höhere Felder, und zwar zuverlässig.“