دانشمندان آمریکایی جعبه‌ابزاری برای بهبود عملکرد شتابدهنده‌های ذرات ساختند
دانشمندان یک جعبه‌ابزار جدید برای بررسی توپولوژی حفره‌های فرکانس رادیویی ابررسانا (SRF) و تاثیر آن بر عملکرد این حفره‌ها توسعه داده‌اند.
حفره‌های SRF ستون فقرات شتابدهنده‌های پیشرفته ذرات را تشکیل می‌دهند و بخشی از سیستم‌هایی هستند که میدان‌های الکترومغناطیسی که ذرات زیراتمی را شتاب می‌دهند، تغذیه می‌کنند. شکل، ناهمواری و تمیزی سطح داخلی حفره‌ها به کارایی آن‌ها کمک می‌کند.
این جعبه‌ابزار توسط پژوهشگران در مرکز شتابدهنده ملی توماس جفرسون توسعه یافته است و به سازندگان شتابدهنده کمک می‌کند ویژگی‌های سطح داخلی حفره‌ها را بهتر نظارت و کنترل کنند.
در آزمون‌های جعبه‌ابزار، دانشمندان دریافتند که حفره‌های SRF صاف‌تر کارایی بیشتری دارند. بر اساس این مطالعه، صافی سطح حفره نشان‌دهنده عملکرد آن است.
جعبه‌ابزاری ساخته شده بر اساس دهه‌ها تحقیق تجربی
بر اساس دهه‌ها تحقیق تجربی در زمینه پردازش سطحی حفره‌های SRF نیوبیوم، این جعبه‌ابزار می‌تواند عملکرد حفره را با کمی‌سازی نرمی سطح آن پیش‌بینی کند.
در این
مطالعه
، تیم از
جعبه‌ابزار
برای بررسی نمونه‌هایی که با همان دستورالعملی که برای حفره‌های مورد استفاده در پروژه‌های ارتقاء در منبع نورینوک لِینا مدیر علمی انرژی (DOE) اعمال شده است، استفاده کرد. این ارتقاء‌ها جدیدترین اضافات DOE به ناوگان شتابدهنده‌های SRF خود هستند.
جعبه‌ابزار شامل میکروسکوپ الکترونی اسکنینگ، طیف‌سنجی جرمی یون ثانویه، میکروسکوپ نیروی اتمی و پراش پشتی الکترونی است.
پژوهشگران نشان دادند که مرزهای دانه‌های ایجاد شده در حین ساخت فلز نیوبیوم، نقش مهمی در عملکرد دارند. شیارهای ایجاد شده در طول پردازش شیمیایی نیوبیوم حاوی نیتروژن، می‌توانند عملکرد شتابدهنده را کاهش دهند.
شیارها باعث کاهش عملکرد حفره‌های SRF می‌شوند
پژوهشگران ادعا کردند که شیارهای موجود عملکرد حفره‌های SRF را به دلیل فروپاشی زودهنگام سطوح دوپ شده کاهش می‌دهند. بنابراین، سطح صاف‌تر عملکرد بهتری برای میدان‌های بالاتر خواهد داشت.
آن‌ها همچنین اندازه‌گیری‌های جدیدی از نمونه‌های نیوبیوم تهیه شده با یک فرآیند دوپینگ اکسیژنی ساده شده انجام دادند. این نمونه‌های حفره نمایشگر توپولوژی بهتری بودند. این نشان می‌دهد که کنترل صافی سطح و مشخصات ناخالصی می‌تواند بهبود عملکرد را هم در بازدهی بالا و هم در میدان‌های بالا بهبود بخشد و به شتابدهنده‌های SRF آینده DOE مانند برخورددهنده الکترون-یون (EIC) کمک کند،" بیان یک اطلاعیه مطبوعاتی گفت.
افزودن آلاینده‌ها به حفره‌های نیوبیوم کارایی را کاهش می‌دهد
حفره‌های SRF ساخته شده از نیوبیوم استاندارد برای شتابدهی ذرات با توان بالا و بازدهی بالا هستند. کارایی آن‌ها می‌تواند با افزودن آلاینده‌ها به حفره‌های نیوبیوم کاهش یابد.
اما این حفره‌های پیشرفته نمی‌توانند عملکردهای با توان بالا را به خوبی حفره‌های نیوبیوم خالص تحمل کنند.
پژوهشگران سطح خشنی حفره‌ها با افزودن نیتروژن یا اکسیژن را بررسی کردند.
توپولوژی سطح نقش حیاتی در عملکرد دارد
نتیجه نشانگر نقش حیاتی توپولوژی سطح در عملکرد است. همچنین نشان داد که اکسیژن می‌تواند ارزان‌ترین افزایش در کارایی را فراهم کند. هدف این تحقیق و جعبه‌ابزار ساخته شده از آن کمک به دانشمندان شتابدهنده است تا با کنترل صافی سطح و ناخالصی‌ها، حفره‌های SRF بهتری برای شتابدهنده‌های آینده بسازند،" به اطلاعیه اضافه شد.
این مطالعه که در فیزیک ریوو شتابدهنده‌ها و بارها منتشر شده است، به بررسی چندین درمان سطح نماینده برای تست روش‌شان پرداخت. آن‌ها دریافتند که این جعبه‌ابزار نه تنها پیش‌بینی موفقی از عملکرد دارد، بلکه به درمان‌های سطح بهتر که هنوز در مقیاس بزرگ آزموده نشده‌اند نیز اشاره می‌کند.
