Le réglage de l’oxygène pourrait être la clé de l’optimisation de l’accélérateur

Les accélérateurs de particules sont chers, mais leur coût est justifié : ces machines uniques et de pointe sont conçues et construites de manière complexe pour nous aider à résoudre les mystères de la composition de notre univers. Pourtant, les scientifiques et les ingénieurs qui construisent ces machines doivent faire de leur mieux pour économiser là où ils le peuvent. Les chercheurs du Thomas Jefferson National Accelerator Facility du ministère américain de l’Énergie soutiennent cette mission en trouvant comment optimiser les cavités, l’une des pièces les plus critiques d’un accélérateur.

Les cavités sont des tubes en niobium, un métal qui devient supraconducteur à des températures extrêmement froides, ce qui permet aux cavités de conduire des champs électromagnétiques importants qu’elles canalisent pour accélérer efficacement les particules. Des champs plus élevés dans une cavité signifient que l’accélérateur global peut être plus court.

« Votre accélérateur peut mesurer seulement 16 km de long au lieu de 32 km », explique Charles Reece, physicien spécialiste des accélérateurs qui a pris sa retraite du Jefferson Lab l’année dernière. « C’est de l’immobilier. Cela représente d’importantes économies. »

Le champ magnétique d’une cavité ne peut toutefois pas être augmenté à l’infini sans conséquence. S’il est trop élevé, la cavité surchauffera et perdra sa supraconductivité. Pour produire des cavités capables de supporter les champs accélérateurs les plus élevés, les laboratoires utilisent différentes recettes pour préparer le niobium. Par exemple, un procédé développé au Fermi National Accelerator Laboratory cuit les cavités à 300° Celsius.

« En utilisant ce procédé, ils ont constaté une amélioration des performances de leurs cavités, mais personne ne comprenait vraiment ce qui se passait », a déclaré Eric Lechner, un scientifique du Jefferson Lab. Dans des travaux publiés il y a trois ans, Lechner, Reece et d’autres chercheurs ont étudié des échantillons préparés selon cette recette en utilisant la spectrométrie de masse des ions secondaires, ce qui leur a permis d’étudier la composition de la surface du niobium.

Ils ont découvert que l’oxygène était introduit sans que l’on s’en aperçoive. Lorsqu’une cavité de niobium pur est exposée à l’air, des oxydes se forment à sa surface. Lors du chauffage, les oxydes se dissocient et leurs atomes d’oxygène constitutifs se dissolvent de quelques micromètres dans les fissures des cristaux de niobium.

À l’époque, les scientifiques de l’accélérateur du laboratoire Jefferson ont commencé à développer un modèle mathématique qui décrit cette diffusion de l’oxygène. Dans un travail publié en avril dans Journal de physique appliquéeils développent et vérifient davantage ce modèle, qui a depuis mûri pour prédire comment des recettes plus sophistiquées affectent la diffusion de l’oxygène et les performances de la cavité.

« Ce modèle décrit la manière dont l’oxyde natif à la surface du niobium se dissocie et se diffuse dans la surface en fonction de la température et du temps de cuisson », a déclaré Reece. « Nous pouvons l’utiliser pour adapter précisément la préparation de la surface afin d’obtenir les meilleures performances possibles et les plus fiables. »

Une plus large portée de recettes

Jusqu’à présent, le modèle décrivait le traitement thermique sous vide à 300° Celsius. Au cours de ce processus, seul le pentoxyde de niobium se décompose à la surface du niobium. Cependant, des températures plus élevées, ainsi que des cuissons beaucoup plus longues à 300° Celsius, sont également couramment utilisées pour préparer des cavités en niobium où des composants d’oxyde supplémentaires se décomposent.

Lechner a préparé des échantillons de niobium selon ces autres recettes. La spectrométrie de masse des ions secondaires, réalisée par Jonathan Angle, un ancien étudiant diplômé de Virginia Tech, a montré que le modèle pouvait capturer les caractéristiques essentielles de la migration de l’oxygène dans ces traitements thermiques sous vide plus complexes.

Les chercheurs ont ensuite étendu le modèle pour décrire les variations des propriétés supraconductrices dues à la teneur en oxygène introduite lors de la préparation de la surface. Ils ont appliqué le modèle à des expériences antérieures pour établir un lien entre la teneur en oxygène et les performances de la cavité résultante.

La cuisson à basse température consiste généralement à chauffer une cavité à 120 °C pendant 24 à 48 heures. Ce type de recette est utilisé depuis 20 ans car il produit des cavités capables de supporter des champs plus élevés, mais la raison pour laquelle cela fonctionne reste un mystère.

« Nous nous sommes demandé si notre modèle pouvait être utilisé pour déterminer si la diffusion de l’oxygène était liée à ce phénomène », a déclaré Lechner. L’équipe a comparé le modèle à des expériences antérieures à basse température et a été d’accord, suggérant que la diffusion de l’oxygène est effectivement à l’origine de l’amélioration des performances.

Des analyses plus poussées ont permis aux chercheurs d’établir un lien entre les variations de la teneur en oxygène de la surface et le champ magnétique maximal de la cavité. Les résultats ont conduit les chercheurs à penser que l’oxygène modifie le comportement du niobium pour empêcher la formation de tourbillons magnétiques dans le matériau qui peuvent se former dans des champs magnétiques élevés. Ces tourbillons magnétiques produisent de la chaleur, ce qui limite les performances de la cavité. Le niobium oxygéné permet d’augmenter les champs magnétiques sans créer ces tourbillons et sans produire trop de chaleur.

« Ces travaux mettent en lumière le mécanisme possible à l’origine de la cuisson à basse température, qui reste un mystère. Notre modélisation suggère où chercher une confirmation expérimentale supplémentaire de cette hypothèse », a déclaré Lechner. « D’autres matériaux sont en cours de développement pour les cavités des accélérateurs de particules, et la compréhension de ce phénomène pourrait également s’appliquer à ceux-ci. »

Pouvoir prédictif

En plus d’expliquer pourquoi les recettes passées ont fonctionné, le modèle montre comment elles pourraient être améliorées.

« Nous avons fait des progrès significatifs dans la compréhension des caractéristiques des matériaux, suffisamment pour acquérir un certain pouvoir prédictif », a déclaré Reece. « Nous en savons désormais suffisamment pour éliminer les incertitudes. Cela peut se traduire par d’importantes économies dans la construction d’accélérateurs. »

Les équipes qui préparent des cavités pour divers projets d’accélérateurs peuvent utiliser le modèle pour développer un processus qui produira les propriétés souhaitées. Ces processus peuvent impliquer d’adapter les conditions de départ, par exemple en ajoutant délibérément un type spécifique d’oxyde à la surface du niobium. Le modèle suggère également qu’une plus grande quantité d’oxygène diffusée plus profondément dans le niobium permettra de mieux empêcher la formation de tourbillons.

« Pour la cuisson à basse température, notre modèle suggère que si vous pouvez charger la surface avec de l’oxygène, vous pourriez obtenir de meilleures performances », a déclaré Lechner.

Le traitement du niobium est coûteux et exclusif ; seule une poignée d’endroits dans le monde peuvent le faire. Les scientifiques de l’accélérateur espèrent un jour remplacer entièrement les cavités en niobium par des cavités en cuivre recouvertes d’une fine couche de niobium en utilisant des techniques de dépôt.

« Ce travail, qui décrit la dissolution de l’oxyde dans des couches minces de niobium, nous informe sur la manière de procéder », a déclaré Reece. « Nous avons un programme de recherche au Jefferson Lab qui s’efforce depuis longtemps de développer les techniques pour y parvenir, et ils progressent. »

En attendant, les chercheurs espèrent que leur modèle aidera à peaufiner les recettes de cavités lors d’expériences futures.