O ajuste do oxigênio pode ser a chave para a otimização do acelerador

Aceleradores de partículas são caros, mas seu custo tem um bom motivo: essas máquinas únicas e de última geração são intrincadamente projetadas e construídas para nos ajudar a resolver mistérios sobre o que compõe nosso universo. Ainda assim, os cientistas e engenheiros que constroem essas máquinas devem fazer o melhor para economizar onde puderem. Pesquisadores da Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia dos EUA estão apoiando essa missão descobrindo como otimizar cavidades, uma das partes mais críticas de um acelerador.

Cavidades são tubos feitos de nióbio, um metal que se torna supercondutor em temperaturas extremamente baixas, permitindo que as cavidades conduzam grandes campos eletromagnéticos que eles canalizam para acelerar partículas de forma eficiente. Campos mais altos em uma cavidade significam que o acelerador geral pode ser mais curto.

“Seu acelerador pode ter apenas 10 milhas de comprimento em vez de 20”, disse Charles Reece, um físico sênior de aceleradores que se aposentou do Jefferson Lab no ano passado. “Isso é espaço. Isso é uma grande economia de custos.”

O campo de uma cavidade, no entanto, não pode ser aumentado infinitamente sem consequências. Se for muito alto, a cavidade superaquecerá e perderá sua supercondutividade. Para produzir cavidades que possam suportar os campos de aceleração mais altos, os laboratórios usam receitas diferentes para preparar nióbio. Por exemplo, um processo desenvolvido no Fermi National Accelerator Laboratory cozinha cavidades a 300° Celsius.

“Usando esse processo, eles encontraram uma melhora no desempenho de suas cavidades, mas ninguém entendeu realmente o que estava acontecendo”, disse Eric Lechner, um cientista da equipe do Jefferson Lab. Em trabalho publicado há três anos, Lechner, Reece e outros pesquisadores investigaram amostras preparadas seguindo essa receita usando espectrometria de massa de íons secundários, o que lhes permitiu estudar a composição da superfície do nióbio.

Eles descobriram que o oxigênio estava sendo introduzido sem saber. Quando uma cavidade de nióbio puro é exposta ao ar, óxidos se formam em sua superfície. Durante o aquecimento, os óxidos se dissociam, e seus átomos de oxigênio constituintes se dissolvem alguns micrômetros nas fendas dos cristais de nióbio.

Naquela época, os cientistas do acelerador do Jefferson Lab começaram a desenvolver um modelo matemático que descreve essa difusão de oxigênio. Em trabalho publicado em abril no Revista de Física Aplicadaeles expandem e verificam ainda mais esse modelo, que desde então amadureceu para prever como receitas mais sofisticadas afetam a difusão de oxigênio e o desempenho da cavidade.

“Este modelo descreve como o óxido nativo na superfície do nióbio se dissocia e difunde na superfície em função da temperatura e do tempo de cozimento”, disse Reece. “Podemos usá-lo para adaptar a preparação da superfície precisamente para obter o melhor desempenho possível e mais confiável.”

Um maior alcance de receitas

Anteriormente, o modelo descreveu o tratamento térmico a vácuo de 300° Celsius. Durante esse processo, apenas o pentóxido de nióbio se decompõe na superfície do nióbio. No entanto, temperaturas mais altas, bem como cozimentos muito mais longos a 300° Celsius, também são comumente usados ​​para preparar cavidades de nióbio onde componentes de óxido adicionais se decompõem.

Lechner preparou amostras de nióbio de acordo com essas outras receitas. A espectrometria de massa de íons secundários, que foi conduzida por Jonathan Angle, um ex-aluno de pós-graduação na Virginia Tech, mostrou que o modelo poderia capturar as características essenciais da migração de oxigênio nesses tratamentos térmicos a vácuo mais complexos.

Os pesquisadores então estenderam o modelo para descrever as variações nas propriedades supercondutoras devido ao conteúdo de oxigênio introduzido durante a preparação da superfície. Eles aplicaram o modelo a experimentos passados ​​para vincular o conteúdo de oxigênio com o desempenho da cavidade resultante.

O cozimento em baixa temperatura normalmente envolve aquecer uma cavidade a 120° Celsius por 24 a 48 horas. Esse tipo de receita tem sido usado nos últimos 20 anos porque produz cavidades que podem lidar com campos mais altos — mas por que funciona continua sendo um mistério.

“Perguntamos ‘Podemos usar nosso modelo para investigar se a difusão de oxigênio está ou não relacionada a esse fenômeno?’”, disse Lechner. A equipe comparou o modelo a experimentos anteriores de baixa temperatura e eles concordaram bem, sugerindo que a difusão de oxigênio está de fato por trás do aumento de desempenho.

Análises posteriores permitiram que os pesquisadores ligassem variações no conteúdo de oxigênio da superfície com o campo de pico da cavidade. Os resultados levaram os pesquisadores a acreditar que o oxigênio está mudando o comportamento do nióbio para evitar a formação de vórtices magnéticos no material que podem se formar em campos altos. Esses vórtices magnéticos produzem calor, limitando o desempenho da cavidade. O nióbio oxigenado permite que os campos sejam aumentados sem criar esses vórtices e produzir muito calor.

“O trabalho lança luz sobre o possível mecanismo por trás do cozimento em baixa temperatura, que continua sendo um mistério. Nossa modelagem sugere onde procurar por confirmação experimental adicional dessa hipótese”, disse Lechner. “Existem outros materiais que estão sendo desenvolvidos para cavidades de aceleradores de partículas, e entender esse fenômeno pode se traduzir para eles também.”

Poder preditivo

Além de explicar por que receitas anteriores funcionaram, o modelo mostra como elas podem ser melhoradas.

“Fizemos avanços significativos na compreensão das características do material o suficiente para ganhar algum poder preditivo”, disse Reece. “Agora entendemos o suficiente para eliminar as suposições. Isso pode se traduzir em grandes economias na construção de aceleradores.”

As equipes que preparam cavidades para vários projetos de aceleradores podem usar o modelo para desenvolver um processo que produzirá as propriedades desejadas. Esses processos podem envolver a adaptação das condições iniciais, como adicionar deliberadamente um tipo específico de óxido à superfície do nióbio. O modelo também sugere que mais oxigênio difundido mais profundamente no nióbio evitará melhor a formação de vórtices.

“Para cozimento em baixa temperatura, nosso modelo sugere que se você puder carregar a superfície com oxigênio, poderá obter melhor desempenho”, disse Lechner.

O processamento de nióbio é caro e exclusivo; apenas um punhado de lugares no mundo pode fazê-lo. Cientistas do acelerador esperam um dia substituir completamente as cavidades de nióbio por cavidades de cobre revestidas em uma fina película de nióbio usando técnicas de deposição.

“Este trabalho, que descreve a dissolução de óxido em filmes finos de nióbio, informa como você faria isso”, disse Reece. “Tivemos um programa de pesquisa no Jefferson Lab que tem lutado para desenvolver as técnicas para fazer isso por um longo tempo, e eles estão progredindo.”

Enquanto isso, os pesquisadores esperam que seu modelo ajude a ajustar receitas para cavidades em experimentos futuros.