Sauerstoff-Optimierung könnte Schlüssel zur Beschleuniger-Optimierung sein

Teilchenbeschleuniger sind teuer, aber ihr Preis hat einen guten Grund: Diese einzigartigen, hochmodernen Maschinen sind aufwendig konstruiert und gebaut, um uns dabei zu helfen, die Geheimnisse unseres Universums zu lüften. Dennoch müssen die Wissenschaftler und Ingenieure, die diese Maschinen bauen, ihr Bestes tun, um zu sparen, wo sie können. Forscher der Thomas Jefferson National Accelerator Facility des US-Energieministeriums unterstützen diese Mission, indem sie herausfinden, wie man Hohlräume, einen der kritischsten Teile eines Beschleunigers, optimieren kann.

Hohlräume sind Röhren aus Niob, einem Metall, das bei extrem niedrigen Temperaturen supraleitend wird. Dadurch können die Hohlräume große elektromagnetische Felder leiten, die sie kanalisieren, um Teilchen effizient zu beschleunigen. Höhere Felder in einem Hohlraum bedeuten, dass der Gesamtbeschleuniger kürzer sein kann.

„Ihr Beschleuniger kann nur 10 Meilen statt 20 Meilen lang sein“, sagte Charles Reece, ein erfahrener Beschleunigerphysiker, der letztes Jahr am Jefferson Lab in den Ruhestand ging. „Das ist Grundfläche. Das bedeutet große Kosteneinsparungen.“

Das Feld eines Hohlraums kann jedoch nicht ohne Folgen unendlich hochgedreht werden. Ist es zu hoch, überhitzt der Hohlraum und verliert seine Supraleitung. Um Hohlräume zu erzeugen, die den höchsten Beschleunigungsfeldern standhalten können, verwenden Labore unterschiedliche Rezepte zur Herstellung von Niob. Ein am Fermi National Accelerator Laboratory entwickeltes Verfahren beispielsweise heizt Hohlräume auf 300° Celsius auf.

„Mit diesem Verfahren konnten sie die Leistung ihrer Hohlräume verbessern, aber niemand verstand wirklich, was da vor sich ging“, sagte Eric Lechner, Wissenschaftler am Jefferson Lab. In einer vor drei Jahren veröffentlichten Arbeit untersuchten Lechner, Reece und andere Forscher nach diesem Rezept hergestellte Proben mithilfe der Sekundärionen-Massenspektrometrie, wodurch sie die Zusammensetzung der Nioboberfläche untersuchen konnten.

Sie fanden heraus, dass Sauerstoff unbemerkt eingeführt wurde. Wenn eine Hohlkammer aus reinem Niob der Luft ausgesetzt wird, bilden sich Oxide auf ihrer Oberfläche. Beim Erhitzen dissoziieren die Oxide und die Sauerstoffatome, aus denen sie bestehen, lösen sich einige Mikrometer in den Spalten der Niobkristalle auf.

Damals begannen die Beschleunigerforscher des Jefferson Lab, ein mathematisches Modell zu entwickeln, das diese Sauerstoffdiffusion beschreibt. In einer im April in der Zeitschrift für Angewandte Physikerweitern und verifizieren sie dieses Modell weiter, das inzwischen ausgereifter ist und vorhersagt, wie sich ausgefeiltere Rezepte auf die Sauerstoffdiffusion und die Hohlraumleistung auswirken.

„Dieses Modell beschreibt, wie das natürliche Oxid auf der Oberfläche von Niob dissoziiert und in die Oberfläche diffundiert, abhängig von Temperatur und Brenndauer“, sagte Reece. „Wir können es verwenden, um die Oberflächenvorbereitung präzise anzupassen, um die bestmögliche und zuverlässigste Leistung zu erzielen.“

Eine größere Auswahl an Rezepten

Bisher beschrieb das Modell die Vakuumwärmebehandlung bei 300 °C. Während dieses Prozesses zersetzt sich nur das Niobpentoxid auf der Nioboberfläche. Höhere Temperaturen sowie viel längere Brennvorgänge bei 300 °C werden jedoch häufig auch verwendet, um Niobhohlräume vorzubereiten, in denen sich zusätzliche Oxidkomponenten zersetzen.

Lechner bereitete Niobproben nach diesen anderen Rezepten vor. Sekundärionen-Massenspektrometrie, die von Jonathan Angle, einem ehemaligen Doktoranden der Virginia Tech, durchgeführt wurde, zeigte, dass das Modell die wesentlichen Merkmale der Sauerstoffmigration bei diesen komplexeren Vakuum-Wärmebehandlungen erfassen konnte.

Anschließend erweiterten die Forscher das Modell, um die Variationen der supraleitenden Eigenschaften aufgrund des bei der Oberflächenvorbereitung eingeführten Sauerstoffgehalts zu beschreiben. Sie wendeten das Modell auf frühere Experimente an, um den Sauerstoffgehalt mit der daraus resultierenden Hohlraumleistung zu verknüpfen.

Beim Niedertemperaturbacken wird ein Hohlraum normalerweise 24 bis 48 Stunden lang auf 120 °C erhitzt. Dieses Rezept wird seit 20 Jahren verwendet, weil es Hohlräume erzeugt, die höhere Felder aushalten können – aber warum es funktioniert, bleibt ein Rätsel.

„Wir fragten uns: ‚Können wir unser Modell verwenden, um zu untersuchen, ob Sauerstoffdiffusion mit diesem Phänomen zusammenhängt oder nicht?‘“, sagte Lechner. Das Team verglich das Modell mit früheren Tieftemperaturexperimenten und diese stimmten gut überein, was darauf schließen lässt, dass Sauerstoffdiffusion tatsächlich hinter der Leistungssteigerung steckt.

Durch weitere Analysen konnten die Forscher Variationen im Sauerstoffgehalt an der Oberfläche mit dem Spitzenfeld des Hohlraums in Verbindung bringen. Die Ergebnisse führten die Forscher zu der Annahme, dass der Sauerstoff das Verhalten des Niobs verändert, um die Bildung magnetischer Wirbel im Material zu verhindern, die sich bei hohen Feldern bilden können. Diese magnetischen Wirbel erzeugen Wärme und begrenzen die Leistung des Hohlraums. Das sauerstoffhaltige Niob ermöglicht es, die Felder höher einzustellen, ohne diese Wirbel zu bilden und zu viel Wärme zu erzeugen.

„Die Arbeit wirft Licht auf den möglichen Mechanismus hinter dem Niedertemperaturbacken, der weiterhin ein Rätsel ist. Unsere Modellierung zeigt, wo wir nach weiteren experimentellen Bestätigungen dieser Hypothese suchen müssen“, sagte Lechner. „Es werden andere Materialien für Teilchenbeschleunigerhohlräume entwickelt, und das Verständnis dieses Phänomens könnte sich auch auf diese übertragen.“

Vorhersagekraft

Das Modell erklärt nicht nur, warum frühere Rezepte funktionierten, sondern zeigt auch, wie sie verbessert werden könnten.

„Wir haben große Fortschritte beim Verständnis der Materialeigenschaften gemacht, die ausreichen, um eine gewisse Vorhersagekraft zu erlangen“, sagte Reece. „Wir wissen jetzt genug, um das Rätselraten zu beenden. Das kann zu großen Einsparungen beim Bau von Beschleunigern führen.“

Teams, die Hohlräume für verschiedene Beschleunigerprojekte vorbereiten, können das Modell verwenden, um einen Prozess zu entwickeln, der die gewünschten Eigenschaften hervorbringt. Diese Prozesse könnten eine Anpassung der Ausgangsbedingungen beinhalten, wie etwa das absichtliche Hinzufügen einer bestimmten Art von Oxid zur Nioboberfläche. Das Modell legt auch nahe, dass mehr Sauerstoff, der tiefer in das Niob diffundiert, die Bildung von Wirbeln besser verhindern wird.

„Unser Modell lässt darauf schließen, dass sich beim Backen bei niedrigen Temperaturen die Leistung verbessern lässt, wenn man die Oberfläche mit Sauerstoff anreichert“, sagte Lechner.

Die Niobverarbeitung ist teuer und exklusiv; nur an wenigen Orten auf der Welt ist sie möglich. Beschleunigerforscher hoffen, eines Tages Niobhohlräume vollständig durch Kupferhohlräume ersetzen zu können, die mithilfe von Abscheidungstechniken mit einem dünnen Niobfilm beschichtet sind.

„Diese Arbeit, die die Auflösung von Oxiden in dünne Niobfilme beschreibt, zeigt, wie man das machen kann“, sagte Reece. „Wir haben am Jefferson Lab ein Forschungsprogramm, das sich schon lange mit der Entwicklung der entsprechenden Techniken beschäftigt, und sie machen Fortschritte.“

In der Zwischenzeit hoffen die Forscher, dass ihr Modell dabei helfen wird, Rezepte für Hohlräume in zukünftigen Experimenten zu optimieren.