Akceleratori čestica su skupi, ali njihova cena dolazi sa dobrim razlogom: ove jedinstvene, najsavremenije mašine su zamršeno dizajnirane i konstruisane da nam pomognu da rešimo misterije o tome šta čini naš univerzum. Ipak, naučnici i inženjeri koji prave ove mašine moraju dati sve od sebe da spasu gde mogu. Istraživači iz Nacionalnog akceleratorskog postrojenja Thomasa Jeffersona američkog Ministarstva energetike podržavaju ovu misiju otkrivajući kako da optimizuju šupljine, jedan od najkritičnijih delova akceleratora.
Šupljine su cevi napravljene od niobijuma, metala koji postaje superprovodljiv na ekstremno niskim temperaturama, omogućavajući šupljinama da provode velika elektromagnetna polja koja kanališu da efikasno ubrzaju čestice. Veća polja u šupljini znače da ukupni akcelerator može biti kraći.
„Vaš akcelerator može biti dugačak samo 10 milja umesto 20“, rekao je Čarls Ris, viši fizičar za akceleratore koji se prošle godine povukao iz Džefersonove laboratorije. „To su nekretnine. To je velika ušteda.“
Polje šupljine, međutim, ne može da se okreće beskonačno bez posledica. Ako je previsok, šupljina će se pregrejati i izgubiti svoju superprovodljivost. Da bi proizveli šupljine koje mogu da podrže najveća polja ubrzanja, laboratorije koriste različite recepte za pripremu niobijuma. Na primer, jedan proces razvijen u Fermi National Accelerator Laboratori kuva šupljine na 300° Celzijusa.
„Koristeći ovaj proces, otkrili su poboljšanje u performansama svojih karijesa, ali niko nije razumeo šta se tačno dešava“, rekao je Erik Lehner, naučnik iz Jefferson Lab-a. U radu objavljenom pre tri godine, Lehner, Ris i drugi istraživači su istraživali uzorke pripremljene po ovom receptu koristeći sekundarnu jonsku masenu spektrometriju, što im je omogućilo da prouče sastav površine niobijuma.
Otkrili su da se kiseonik nesvesno uvodi. Kada je čista niobijumska šupljina izložena vazduhu, na njenoj površini se formiraju oksidi. Tokom zagrevanja, oksidi se disociraju, a njihovi sastavni atomi kiseonika se rastvaraju nekoliko mikrometara u pukotine kristala niobijuma.
Tada su naučnici akceleratora iz Jefferson Lab-a počeli da razvijaju matematički model koji opisuje ovu difuziju kiseonika. U radu objavljenom u aprilu u časopisu Journal of Applied Phisics, oni dalje proširuju i verifikuju ovaj model, koji je od tada sazreo da predvidi kako sofisticiraniji recepti utiču na difuziju kiseonika i performanse šupljine.
„Ovaj model opisuje kako se prirodni oksid na površini niobijuma disocira i difunduje u površinu kao funkcija temperature i vremena pečenja“, rekao je Ris. „Možemo ga koristiti da precizno prilagodimo pripremu površine kako bismo dobili najbolje moguće i najpouzdanije performanse.
Prethodno je model opisao termičku obradu vakuuma na 300°C. Tokom tog procesa samo se niobijum pentoksid razlaže na površini niobijuma. Međutim, više temperature, kao i mnogo duže pečenje na 300°C, takođe se obično koriste za pripremu niobijumskih šupljina gde se dodatne komponente oksida razlažu.
Lehner je pripremio uzorke niobijuma prema ovim drugim receptima. Sekundarna jonska masena spektrometrija, koju je sproveo Džonatan Engle, bivši diplomirani student na Virginia Tech, pokazala je da model može da uhvati osnovne karakteristike migracije kiseonika u ovim složenijim vakuumskim toplotnim tretmanima.
Istraživači su zatim proširili model kako bi opisali varijacije u supravodljivim osobinama zbog sadržaja kiseonika unetog tokom pripreme površine. Oni su primenili model na prethodne eksperimente kako bi povezali sadržaj kiseonika sa rezultujućim performansama šupljine.
Pečenje na niskoj temperaturi obično uključuje zagrevanje šupljine na 120° Celzijusa u trajanju od 24 do 48 sati. Ova vrsta recepta se koristi poslednjih 20 godina jer proizvodi šupljine koje mogu da podnesu veća polja – ali zašto funkcioniše ostaje misterija.
„Pitali smo ‘Možemo li koristiti naš model da istražimo da li je difuzija kiseonika povezana sa ovim fenomenom?'“, rekao je Lehner. Tim je uporedio model sa prošlim eksperimentima na niskim temperaturama i dobro su se složili, sugerišući da difuzija kiseonika zaista stoji iza povećanja performansi.
Dalja analiza je omogućila istraživačima da povežu varijacije u površinskom sadržaju kiseonika sa vršnim poljem šupljine. Rezultati su naveli istraživače da veruju da kiseonik menja ponašanje niobijuma kako bi sprečio stvaranje magnetnih vrtloga u materijalu koji se mogu formirati u visokim poljima. Ovi magnetni vrtlozi proizvode toplotu, ograničavajući performanse šupljine. Niobijum sa kiseonikom omogućava da se polja podignu više bez stvaranja ovih vrtloga i proizvodnje previše toplote.
„Rad osvetljava mogući mehanizam koji stoji iza pečenja na niskoj temperaturi, što je i dalje misterija. Naše modeliranje sugeriše gde tražiti dodatnu eksperimentalnu potvrdu ove hipoteze“, rekao je Lehner. „Postoje i drugi materijali koji se razvijaju za šupljine akceleratora čestica, a razumevanje ovog fenomena moglo bi da se prevede i na njih.“
Pored objašnjenja zašto su prošli recepti funkcionisali, model pokazuje kako se oni mogu poboljšati.
„Napravili smo značajan prodor u razumevanje materijalnih karakteristika dovoljno da dobijemo neku moć predviđanja“, rekao je Ris. „Sada razumemo dovoljno da se izvučemo iz nagađanja. To se može pretvoriti u velike uštede u izgradnji akceleratora.“
Timovi koji pripremaju šupljine za različite projekte akceleratora mogu koristiti model da razviju proces koji će dati željena svojstva. Ovi procesi mogu uključivati prilagođavanje početnih uslova, kao što je namerno dodavanje specifične vrste oksida na površinu niobijuma. Model takođe sugeriše da će više kiseonika difundovanog dublje u niobijum bolje sprečiti stvaranje vrtloga.
„Za pečenje na niskim temperaturama, naš model sugeriše da ako možete napuniti površinu kiseonikom, možda ćete moći da postignete bolje performanse“, rekao je Lehner.
Prerada niobijuma je skupa i ekskluzivna; samo nekoliko mesta na svetu to može učiniti. Naučnici akceleratori se nadaju da će jednog dana u potpunosti zameniti niobijumske šupljine bakarnim šupljinama obloženim tankim filmom niobijuma koristeći tehnike taloženja.
„Ovaj rad, koji opisuje rastvaranje oksida u tankim slojevima niobijuma, daje informacije kako biste to uradili“, rekao je Ris. „Imali smo istraživački program u laboratoriji Jefferson koji se dugo borio sa razvojem tehnika za ovo, i oni napreduju.
U međuvremenu, istraživači se nadaju da će njihov model pomoći u prilagođavanju recepata za karijes u budućim eksperimentima.
