Figura: L'escala de l'FCC-hh en comparació al ja existent Large Hadron Collider (LHC). Crèdit: CERN.
Cerdanyola del Vallès, 13 d'agost de 2020. El Future Circular Collider Study (FCC) està desenvolupant dissenys per a un col·lisionador de partícules de major rendiment i així estendre la investigació duta a terme actualment pel Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC, per les seves sigles en anglès), una vegada que aquest últim arribi al final de la seva vida útil, passat 2035.
L'objectiu de l'FCC és ampliar les fronteres d'energia i intensitat dels col·lisionadors de partícules, per tal d'aconseguir energies de col·lisió de 100TeV, en la recerca de nova física.
Revestiments altament conductors per estabilitzar els feixos de protons de l'FCC
Sota el paraigua de l'estudi FCC de CERN, més de 100 institucions, entre elles el Sincrotró ALBA, avaluen la viabilitat de construir un col·lisionador circular d'alta energia d'última generació com a successor de l'LHC. S'han d'explorar noves fronteres d'energia per poder desembolicar els misteris de l'univers relacionats amb la matèria fosca i la supersimetria.
No obstant això, l'objectiu fixat és que les energies de col·lisió de l'accelerador de partícules proposat excedeixin en un factor de set les de l'LHC, i això té un preu. És un gran repte garantir un feix de protons estable a energies tan elevades a causa de l’excitació dels anomenats "wakefields" (ones de plasma) com a conseqüència d’una resistivitat de cambra finita. Aquests són el resultat de càrregues mirall que es presenten als voltants dels protons. Els revestiments altament conductors a l'interior de la cambra protectora del feix, que allotja el feix, pot oferir una solució al problema.
Comprenent el comportament dels vòrtexs magnètics de materials superconductors en les condicions de l'FCC
En aquest context, es va suggerir avaluar superconductors d'alta temperatura com a candidats a revestir la pantalla el feix. La propietat fonamental que ha de complir un revestiment d'una pantalla de feix és tenir una baixa impedància de superfície en les condicions extremes esperades de l'FCC-hh, això és a una temperatura de 50 K, 1 GHz de freqüència d'accelerador i fins a 16 T de camp magnètic. La resistència de superfície general en aquestes condicions estarà governada per la condició de camp magnètic. Per a aquest propòsit, cal entendre el comportament dels vòrtexs magnètics en conductors amb revestiment superconductor d'alta temperatura en les condicions esmentades.
Aquest manuscrit, publicat a Scientific Reports, és una col·laboració d'investigadors i investigadores del grup Superconducting Materials and Large Scale nanostructures (SUMEN) group de l'ICMAB, de la divisió d'accelerador del Sincrotró ALBA, de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) i del CERN. Els investigadors revelen la resistència de superfície de set conductors revestits REBa2Cu3O7-x (RE = Rare Earth), que estan disponibles al mercat a gran escala, a 8 GHz, 20-70 K i fins a 9 T mesurat per un ressonador dielèctric Hakki- Coleman, que ha estat dissenyat, construït i testejat per científics d’ALBA en colaboració con la UPC. Els científics mostren que diferents poden ser les microestructures dels conductors revestits de REBa2Cu3O7-x - que depenen de les condicions ajustables de creixement i de les nano addicions utilitzades pel fabricant - una gran varietat d'impedàncies de superfície i paràmetres de vòrtex.
Fent un model de comportament del camp de la resistència de superfície, es contribueix a l'enteniment de les propietats a altes freqüències dels vòrtexs ancorats de REBa2Cu3O7-x. Es donen límits de freqüència per al règim de baix ancoratge dissipatiu i es ressalten els límits explícits entre microestructura, propietats superconductores i paràmetres de vòrtex. Finalment, es duen a terme estimacions de la impedància de superfície per a cada conductor revestit amb base en els paràmetres de vòrtex extrets per les condicions de l'FCC-hh esperades.
Aquests càlculs suggereixen resistències de superfície fins a 70 vegades menors que les exhibides pel coure, que és el material utilitzat com a revestiment de la pantalla el feix en el LHC. Els marges esperats en la resistència de superfície per als conductors revestits de REBa2Cu3O7-x poden permetre unes opcions de l'FCC-hh més eficients i sostenibles i finalment inclinar la balança en les decisions de materialització de la futura infraestructura de CERN.
Figura: To 50 K i 1 GHz impedància de superfície extrapolada per Cu gruix polvoritzat sobre acer inoxidable, assenyalat aquí com FCC Cu, i diversos CCs com a funció del camp magnètic. Les estrelles representen tant la resistència com els valors de reactància de superfície per al FCC Cu. Les línies llises són resistències de superfície, les línies discontínues són reactàncies de superfície dels CCs. El proveïdor dels CCs es marca en codi de color.
Implicacions per a aplicacions de microones i ciència de materials
Aquest estudi també suposa implicacions interessants per a aplicacions de camp de microones i ciència de materials. D'una banda, les dades de resistència de superfície generades demostren el bon rendiment en alta freqüència i dins el camp, de les tecnologies de revestiment disponibles al mercat i, per tant, emfatitza la maduresa que s'ha d'utilitzar en les aplicacions de microones en què grans camps magnètics són imperatius (igual que a la detecció d'axions en la recerca de matèria fosca).
D'altra banda, la correlació demostrada entre la microestructura i els paràmetres de vòrtex poden establir les bases per a l'optimització de la producció de conductors revestits de REBa2Cu3O7-x en la recerca d'un punt òptim entre rendibilitat i rendiment de microones necessari per assolir les demandes d'aplicacions específiques.
Referència: High frequency response of thick REBCO coated conductors in the framework of the FCC study. Artur Romanov, Patrick Krkotić, Guilherme Telles, Joan O’Callaghan, Montse Pont, Francis Perez, Xavier Granados, Sergio Calatroni, Teresa Puig & Joffre Gutierrez. Scientific Reports 10, 12325, 2020. DOI: 10.1038/s41598-020-69004-z
Enllaç a la noticia original: https://icmab.es/how-do-superconducting-coated-conductors-respond-to-the-extreme-temperature-frequency-and-magnetic-field-conditions-of-the-cern-future-circular-collider
