Nuevos horizontes en SRF: más allá del HL

La innovación en la tecnología y las aplicaciones de radiofrecuencia superconductora (SRF) es fundamental para el éxito del proyecto LHC de alta luminosidad (HL-LHC) y los colisionadores de partículas de próxima generación que le seguirán. Frank Gerigk, líder del grupo de RF del CERN, evalúa el progreso en la hoja de ruta de I+D de SRF y los exigentes requisitos de fabricación y rendimiento que ya están a la vista.

El compromiso del CERN con las tecnologías de radiofrecuencia superconductora (SRF) se remonta a un largo camino: abarca más de cuatro décadas de inversión sostenida en infraestructura, I+D aplicada, innovación a nivel de dispositivos y sistemas, así como colaboración internacional con socios académicos e industriales. Si ese es el titular, ¿qué sigue para el programa SRF del CERN?

Un resumen de los logros del SRF del CERN resulta instructivo en este punto antes de analizar la hoja de ruta de I+D e innovación a más largo plazo. Para empezar, las cavidades SRF –una tecnología caballo de batalla para aceleradores de vanguardia en física de partículas, física nuclear y ciencia de materiales– fueron fundamentales para impulsar el gran colisionador electrón-positrón (LEP) del CERN hacia nuevos regímenes energéticos. Hasta finales de la década de 1990, se instalaron en LEP-II un total de 288 cavidades SRF, cada una de las cuales comprendía una fina película de niobio superconductor pulverizado sobre una cavidad de cobre, lo que proporcionaba hasta 7 MV/m de gradiente de aceleración y permitía que la máquina alcanzara finalmente una energía de centro de masa de 209 GeV (frente a 91 GeV de la máquina LEP original). A principios del milenio, LEP-II era la instalación SRF más potente del mundo.

Un avance rápido hasta 2010 y la llegada del proyecto HIE-ISOLDE, la actualización de “alta intensidad y energía” de la instalación de haces radiactivos del CERN, que desencadenó más inversiones en el programa SRF. Desde el punto de vista operativo, HIE-ISOLDE se centró en aumentar la energía de los haces de radionúclidos de ISOLDE de 3 MeV/u a 10 MeV/u mediante la construcción de un postacelerador superconductor, lo que requirió, a su vez, el diseño, procesamiento y prueba de Cavidades SRF de niobio junto con un rendimiento de recubrimiento mejorado para cavidades SRF de niobio y cobre de película delgada.

Los ingenieros del CERN desarrollaron debidamente un prototipo completo de las cavidades revestidas de cuarto de onda de 100 MHz para HIE-ISOLDE antes de llevar la tecnología a la industria. Sin embargo, posteriormente varias de las cavidades subcontratadas presentaron limitaciones de rendimiento debido a una costura de soldadura en una zona de la cavidad con altas corrientes superficiales. Para abordar este problema, el equipo de RF del CERN ideó una solución innovadora que resultó crucial para ampliar el rendimiento de las cavidades SRF de película delgada.

En pocas palabras, la cavidad HIE-ISOLDE fue rediseñada de tal manera que pudiera mecanizarse a partir de una sola pieza de cobre sin soldaduras. Después del recubrimiento con niobio y las pruebas posteriores en 2017, la nueva cavidad arrojó campos máximos de superficie sin precedentes de más de 60 MV/m y un valor Q de 109 a 2,3 K. Estas cifras de mérito, muy por encima del objetivo de calificación de aproximadamente 30 MV /m (Q = 5 × 108): dio una dirección clara para una mayor investigación y desarrollo sobre cavidades de película delgada sobre sustratos de cobre sin costuras, con cuatro criomódulos (cada uno con cinco cavidades SRF) instalados posteriormente como parte de la actualización de HIE-ISOLDE. Significativamente, esta fue también la primera vez que una cavidad de “producción” que utilizaba niobio en película delgada sobre cobre dio resultados comparables a las cavidades de niobio en masa, cuyo rendimiento había experimentado rápidos avances durante la década anterior como resultado del esfuerzo colectivo de I+D. orientado hacia el Colisionador Lineal Internacional (ILC).

En este momento, el centro de la hoja de ruta tecnológica del SRF es el proyecto HL-LHC, una empresa ambiciosa para aumentar la luminosidad integrada en un factor de 10 más allá del valor de diseño del LHC y, al hacerlo, abrir nuevas oportunidades para avances fundamentales. Física a partir de 2030. Una vez operativo, el HL-LHC utilizará “cavidades de cangrejo” superconductoras de niobio para optimizar el cruce de grupos en los puntos de interacción de partículas, aumentando y “nivelando” así la luminosidad de las colisiones protón-protón. Esto se logra girando ligeramente los grupos de partículas antes de la colisión y luego devolviéndolos a su orientación original después de la interacción (consulte “Colisiones diseñadas”).

En ATLAS y CMS, se desplegarán dos cavidades tipo cangrejo de 400 MHz para cada haz a cada lado de los experimentos; es decir, se instalarán un total de 16 cavidades (ocho criomódulos) durante el Long Shutdown 3 (LS3), que comienza en 2026. Como los tubos de los haces en colisión están separados por solo 194 mm, es necesario un diseño de cavidad ultracompacto para producir el voltaje de arranque requerido de 3,4 MV por cavidad. Un intenso esfuerzo de I+D, en el que participaron una red de socios internacionales y fuentes de financiación, dio como resultado dos diseños finales, uno para cangrejo horizontal (dipolo RF, RFD) y otro para cangrejo vertical (doble cuarto de onda, DQW). Estas formas de cavidades avanzadas son aproximadamente cuatro veces más compactas que las cavidades elípticas de aceleración del LHC y, como tales, presentan importantes desafíos en términos de su fabricación.

Para probar los conceptos técnicos previstos y, por extensión, demostrar la interferencia de un haz de protones, el equipo de desarrollo de RF del CERN llevó a cabo una prueba de haz de dos cavidades DQW en el Super Sincrotrón de Protones (SPS) en 2018 (CERN Courier, mayo de 2018, p. 18). ). Después de la construcción y el procesamiento en el CERN, las cavidades se ensamblaron en un criomódulo en las instalaciones de prueba SM18 (un sitio exclusivo del CERN para la evaluación de imanes superconductores y cavidades SRF).

Para maximizar la eficiencia del flujo de trabajo, el banco de pruebas SPS tiene una plataforma móvil para el criomódulo, que está conectada con elementos flexibles al tubo de haz SPS. Esta disposición hace posible mover las cavidades dentro y fuera de la viga y, por tanto, reducir el impacto en el funcionamiento normal del SPS. Las pruebas del haz validaron no sólo el efecto cangrejo sobre el haz de protones circulante, sino también las opciones de diseño e ingeniería para estos nuevos criomódulos.

Vale la pena señalar que la creación simplificada de prototipos del criomódulo SPS DQW solo fue posible gracias a la inversión continua del CERN en I+D y experiencia en SRF. A un nivel más granular, eso se traduce en una cartera de habilidades básicas que abarcan el conformado y la soldadura de láminas de niobio; química de superficies de niobio con procesamiento químico tamponado y electropulido; limpieza de superficies con agua ultrapura a alta presión; montaje de cavidades en salas blancas ISO4; preparación y realización de pruebas de frío a 2 K; así como el ensamblaje limpio de cadenas de cavidades y su integración en criomódulos completos con precisión de alineación de vanguardia.

Tras la verificación de los conceptos técnicos subyacentes, el CERN estableció una red de colaboraciones internacionales para un envío inicial de 10 criomódulos para el HL-LHC más un módulo DQW de repuesto y un módulo RFD de repuesto. La división del trabajo es clave aquí, ya que el fabricante alemán RI Research Instruments se encarga de la fabricación y el procesamiento químico de las cavidades DQW. Después de probar en frío las cavidades desnudas en el CERN, se envían de regreso a Rhode Island para equiparlas con un tanque de helio y escudos magnéticos fríos, que son proporcionados por el Laboratorio Daresbury en el Reino Unido como parte de un esfuerzo conjunto entre el CERN y el Centro de Ciencia y Tecnología del Reino Unido. Consejo de Instalaciones Tecnológicas (STFC).

Estas cavidades denominadas "encamisadas" regresan al CERN para otra ronda de pruebas en frío antes de ser equipadas con acopladores de RF de modo de orden superior (HOM), fabricados en los talleres del CERN. Una vez que se valida el rendimiento de las cavidades ahora "revestidas", se ensamblan en criomódulos en Daresbury antes de regresar al CERN para su validación e instalación en frío.

Mientras tanto, la producción de módulos RFD se lleva a cabo en América del Norte como parte de la colaboración del Proyecto de Actualización del Acelerador (AUP) HL-LHC de EE. UU. En términos específicos: Fermilab ha contratado al fabricante italiano Zanon para la producción de cavidades desnudas, siendo el laboratorio el responsable de los tratamientos químicos, los escudos magnéticos fríos, el recipiente de helio y los acopladores HOM. Los científicos del Fermilab también realizan pruebas de frío en las cavidades desnudas, revestidas y revestidas. Una vez que las cavidades alcanzan el nivel de rendimiento deseado, se envían a TRIUMF en Canadá para volver a probarlas y ensamblarlas en criomódulos.

Garantizar que este complejo esfuerzo colectivo siga en marcha no es un desafío menor, que requiere la implementación de interfaces técnicas bien definidas y un seguimiento riguroso del desempeño, al mismo tiempo que se controla la programación diaria del proyecto, el transporte y cuestiones logísticas espinosas (incluido el papeleo relacionado con el Brexit). . En términos más generales, vale la pena señalar que la experiencia adquirida al crear prototipos de cavidades de cangrejo y criomódulos en el CERN ha permitido al equipo de RF establecer un estricto sistema de garantía de calidad, que posteriormente se comparte con todos nuestros colaboradores para garantizar procesos de producción, flujos de trabajo e integración de sistemas estandarizados.

Además de los esfuerzos de I+D de amplio alcance en torno a las pérdidas en la superficie de las cavidades de SRF, en el CERN se están llevando a cabo programas de trabajo paralelos para aumentar la eficiencia de las fuentes de energía de RF. Como se analiza en el texto principal, el haz FCC-ee necesita recibir 100 MW del sistema de energía de RF solo para compensar las pérdidas de radiación sincrotrón. Por lo tanto, el presupuesto de potencia de RF requerido real aumenta a 148 MW (incluidos 2 MW para la RF de refuerzo) dadas las eficiencias de estimación de potencia de RF FCC-ee anticipadas del 80%, 90% y 95% para klistrones, moduladores de klistrones y distribución de RF, respectivamente.

Hoy en día, sin embargo, la eficiencia del klistrón está en la región del 55% (lo que significaría 215 MW para el sistema RF FCC-ee). Llegar a esa especificación objetivo del 80% es competencia del grupo de RF del CERN y su esfuerzo de I+D centrado en aumentar la eficiencia de RF de los klistrones de alta potencia. Al aplicar técnicas modernas de dinámica de haces de electrones y códigos de simulación 3D (KLYC) desarrollados internamente, el equipo ya ha demostrado resultados tangibles. El año pasado, por ejemplo, Canon construyó el primer klistrón de alta eficiencia diseñado por el CERN y alcanzó exactamente la eficiencia prevista (53,3%) para un sistema de banda X pulsado (CERN Courier septiembre/octubre de 2022 p39).

Para FCC-ee, también se está desarrollando un klistrón multihaz avanzado de dos etapas para el sistema de 400 MHz en colaboración con socios de la industria. El objetivo es lograr una eficiencia del 80% con requisitos de alto voltaje muy reducidos (60 kV en lugar de 110 kV) y una huella mucho más pequeña (2,5 m de longitud total en lugar de aproximadamente 5,5 m).

Además de la innovación tecnológica en klistrones, el grupo de RF del CERN está comprometido en varios otros frentes, ya sea impulsando la eficiencia de los amplificadores basados ​​en estado sólido o fabricando amplificadores basados ​​en tubos de salida inductivos (IOT) simples y rentables. El equipo interno de RF también dedica una cantidad considerable de tiempo y recursos (que abarcan investigación y desarrollo, pruebas e implementación) para realizar acopladores de energía con una entrega de energía sin precedentes a las cavidades; nuevos mecanismos de sintonización para las cavidades SRF; Controladores y sistemas de retroalimentación de RF; así como códigos de simulación para modelar la dinámica de haces longitudinales.

De cara al futuro, el próximo hito del programa de cavidades de cangrejos del HL-LHC es la prueba del primer módulo RFD del SPS. Actualmente, este módulo se está ensamblando en el Laboratorio Daresbury y se entregará al CERN en septiembre de 2023, después de lo cual se probará en frío en SM18 antes de su instalación en el SPS durante la parada técnica de fin de año 2023/24.

Si bien el programa de cavidades de cangrejo mantendrá ocupado al equipo de RF del CERN hasta la conclusión de LS3 en 2028, ya están en marcha los preparativos para la década de 2030 y más allá. En este momento, existe consenso en que el próximo gran colisionador después del LHC será una máquina de leptones centrada en mediciones de precisión del bosón de Higgs. En el caso de un colisionador circular, esto requerirá un potente sistema de RF para alcanzar energías de colisión que superen las logradas por LEP. Dos posibles candidatos son el futuro colisionador circular electrón-positrón (FCC-ee), que requeriría más de 1.000 cavidades SRF, y un colisionador de muones con más de 3.000 cavidades SRF (para un escenario de centro de masa de 10 TeV). Mientras tanto, un colisionador lineal como el ILC de 500 GeV propuesto necesitaría más de 7.000 cavidades SRF.

Independientemente del escenario final, es evidente que el sistema de RF plantea un desafío tecnológico importante, y la mayoría de las opciones implican el despliegue de cavidades SRF en niveles un orden de magnitud mayores que los utilizados en LEP. Con el aumento de los precios de la electricidad y los crecientes llamados a la sostenibilidad operativa dentro de la física de alta energía, el CERN tiene la obligación de buscar todos los medios para reducir el consumo de energía del próximo gran colisionador. En este contexto, el grupo de RF del CERN está priorizando dos objetivos estratégicos de I+D: reducir las pérdidas superficiales de las cavidades superconductoras y al mismo tiempo generar energía de RF de mayor eficiencia.

Es instructivo considerar la estrategia SRF del CERN en el contexto de la FCC-ee – y específicamente, el impacto potencial de la reducción de las pérdidas en la cavidad en el consumo de energía de la FCC-ee y cómo eso está dando forma a las prioridades de I+D de SRF. El escenario actual FCC-ee prevé cuatro etapas principales de operación con energías crecientes del centro de masa, lo que permitirá mediciones precisas del bosón Z (91 GeV), el bosón W (161 GeV), el bosón de Higgs (250 GeV) y el quark top. (365 GeV). Las corrientes de haz alto necesarias para respaldar la física Z y W imponen el uso de cavidades de baja frecuencia (400 MHz) para controlar la potencia HOM excitada por el haz. Esto significa que para el Z se eligieron cavidades de una sola celda de 400 MHz, que se sustituirán por cavidades de dos celdas de 400 MHz para el W. Al mismo tiempo, el acelerador de refuerzo estará equipado con cavidades de cinco celdas de 800 MHz. El número de criomódulos aumentará progresivamente cuando se pase a los escenarios H y ttbar.

Según las proyecciones, el consumo eléctrico total del escenario FCC-ee ttbar se estima en 384 MW. Dentro de este presupuesto, se necesitarán 148 MW para el sistema de energía de RF y 47,5 MW para los sistemas criogénicos asociados. El componente de RF está dominado por las pérdidas del sincrotrón (100 MW), que deben compensarse, y la eficiencia del sistema de potencia de RF para generar esta potencia y transferirla al haz. El presupuesto criogénico, por otro lado, está relacionado con la resistencia superficial de las cavidades SRF. Las matemáticas son bastante simples: si se reduce la resistencia de la superficie del SRF en un factor de dos, el consumo de energía del sistema criogénico se reducirá en un factor de dos (lo que, a su vez, reduciría el tamaño de la planta criogénica a la mitad).

Pero ¿es realista ese resultado? El objetivo actual de I+D declarado para las cavidades FCC-ee de 400 MHz es una reducción de aproximadamente el 30 % de las pérdidas de superficie (en comparación con las cavidades del LHC) junto con una duplicación del gradiente de aceleración. Es un objetivo ambicioso y, como tal, los ingenieros de RF del CERN están aplicando las lecciones aprendidas del proyecto HIE-ISOLDE, donde el uso de sustratos de cavidad sin costuras hizo posible aumentar los campos máximos en la cavidad y al mismo tiempo reducir las pérdidas de superficie.

Las pruebas de prueba de principio realizadas hasta la fecha requirieron cavidades elípticas sin costuras, y el taller del CERN pudo mecanizar dichas cavidades a partir de piezas de cobre a granel, mientras que el grupo de vacío del departamento de tecnología fue pionero en un método que utiliza electroformado. (En este último, el cobre se deposita sobre un mandril de aluminio, y posteriormente el aluminio se disuelve para dejar solo la capa de cobre depositada). Ambos enfoques se utilizaron para crear cavidades pequeñas (a escala) de 1,3 GHz, que luego se pulieron químicamente y se recubrieron usando Pulverización por magnetrón de impulso de alta potencia (HIPIMS), un método especializado para la deposición física de vapor de películas delgadas.

La figura de la página 22 (“Juego de números”) muestra los resultados de las primeras pruebas en frío, así como el valor objetivo para las cavidades FCC-ee de 400 MHz (este último escalado, en valor Q, para que sea comparable a la cavidad de 1,3 GHz). resultados). Lo que es evidente a partir de los datos es que las cavidades recubiertas sin costuras tienen un claro potencial para alcanzar el objetivo de rendimiento FCC-ee, aunque vale la pena enfatizar que se trata de cavidades de prueba simplificadas sin acopladores de potencia y sin acopladores HOM (además, estas cavidades son aproximadamente tres veces más pequeñas en de diámetro frente a las cavidades de 400 MHz previstas para FCC-ee).

A pesar de las calificaciones, estos resultados constituyen el primer paso importante en el rendimiento de las cavidades SRF de película delgada desde LEP, respaldado por los recubrimientos HIPIMS mejorados, el uso de sustratos de cavidades sin costuras y el control preciso de los estados de la superficie de la cavidad durante las pruebas químicas, de recubrimiento y en frío. . En términos de próximos pasos, el esfuerzo de I+D del CERN se centrará en nuevas mejoras en el factor de calidad (inversamente proporcional a la resistencia de la superficie); ampliar el alcance del campo (hasta ahora limitado por la configuración experimental y no por las propiedades de las cavidades de prueba); y la ampliación a cavidades mucho más grandes.

Los desafíos que plantea el tamaño de la cavidad son dos: por un lado, garantizar la misma calidad de película en varios metros cuadrados de superficie interior; por otro, encontrar un método de fabricación que evite una costura de soldadura en el ecuador de las cavidades. Todas las cavidades elípticas que se construyen hoy en día, ya sean cavidades revestidas o de niobio a granel, se ensamblan a partir de medias celdas preformadas. Si bien las cavidades pequeñas de 1,3 GHz son sencillas de mecanizar a partir de una pieza de cobre a granel, este método rápidamente se vuelve antieconómico cuando se consideran cavidades de tipo FCC de 400 MHz.

Por esta razón, el CERN ha iniciado una colaboración con KEK en Japón para explorar el potencial de la fabricación de cavidades sin costuras mediante hidroformado (un proceso avanzado de moldeo por matriz que se basa en fluidos altamente presurizados para dar forma a los metales). Si bien los resultados iniciales son alentadores, se necesitarán muchos prototipos y pruebas de recubrimiento posteriores para convertir esta tecnología en un proceso que pueda ampliarse e industrializarse. Si tiene éxito, la esperanza es que los sustratos de cavidades SRF puedan en última instancia producirse como piezas de carrocería para automóviles, y a una fracción de los costos de fabricación actuales.

Otra área activa de I+D de SRF, y el foco de una colaboración en curso del CERN con Fermilab, involucra las cavidades multicelulares de niobio en masa de 800 MHz previstas en el escenario de referencia FCC-ee. Durante la última década, Fermilab ha sido pionero en métodos avanzados de tratamiento de superficies (como el dopaje o la infusión de nitrógeno) junto con varios tratamientos de temperatura para adaptar la resistencia de la superficie de las cavidades de niobio en masa de 1,3 GHz para aplicaciones específicas.

Ha habido un progreso significativo en la reducción de la resistencia de la superficie y la tecnología ha encontrado una aplicación inicial en las cavidades SRF de la fuente de luz coherente Linac (LCLS-II) en SLAC en California (primero se trataron las cavidades y luego se ensamblaron en criomódulos en Fermilab). . En línea con los requisitos de su Plan de mejora de protones (PIP-II), una ambiciosa mejora del complejo acelerador Fermilab, el laboratorio estadounidense también ha comenzado a aplicar sus métodos de adaptación de superficies a cavidades más grandes (650 MHz) y, como parte de este esfuerzo, está interesado en incluir prototipos FCC-ee.

Para superar los límites de rendimiento de las cavidades recubiertas o de niobio a granel actuales, el CERN, Fermilab y otros laboratorios asociados están evaluando nuevos materiales superconductores que funcionan a temperaturas criogénicas más altas. El CERN, por su parte, está realizando pruebas de muestras con finas capas de Nb3Sn o Vn3Si sobre cobre, mientras que los científicos del Fermilab están creando una fina capa de Nb3Sn sobre superficies de niobio puro. La física es convincente: si las cavidades de 800 MHz pueden funcionar a 4,2 K en lugar de 2 K con la misma resistencia superficial, el consumo agregado de energía criogénica se reducirá en dos tercios.

A lo largo de otra coordenada, teóricamente se pueden lograr gradientes de aceleración sin precedentes colocando películas multicapa encima de cavidades de niobio o cobre, y investigadores del CEA en Francia informaron avances significativos en la deposición de capas atómicas individuales sobre sustratos. En resumen, con la ayuda de I+D específica, esto parece un camino prometedor para reducir la resistencia de la superficie SRF en un 50% en promedio, aunque el éxito dependerá en última instancia de la disponibilidad de mano de obra calificada y de una infraestructura de procesamiento de materiales de última generación. así como diagnósticos precisos para evaluar el desempeño del SRF.

Teniendo esto en cuenta, el grupo RF del CERN ha propuesto la construcción de una infraestructura SRF dedicada junto a las instalaciones SM18. El nuevo edificio proporcionará casi 5000 m2 de espacio para química de cavidades avanzada, así como salas blancas, área de ensamblaje de criomódulos e instalaciones de limpieza de materiales. Ya se han completado un estudio de integración completo y una estimación de costos y se está considerando la inclusión del proyecto en el próximo Plan a Plazo Medio del CERN (2023-2026).

Parece que el futuro es brillante para el programa de tecnología SRF del CERN.