Figura: La escala del FCC-hh en comparación al ya existente Large Hadron Collider (LHC). Crédito: CERN.
Cerdanyola del Vallès, 13 de agosto de 2020. El Future Circular Collider Study (FCC) está desarrollando diseños para un colisionador de partículas de mayor rendimiento y así extender la investigación llevada a cabo actualmente por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), una vez que este último alcance el final de su vida útil, pasado 2035.
El objetivo del FCC es ampliar las fronteras de energía e intensidad de los colisionadores de partículas, con el fin de alcanzar energías de colisión de 100TeV, en la búsqueda de nueva física.
Revestimientos altamente conductores para estabilizar los haces de protones del FCC
Bajo el paraguas del estudio FCC del CERN, más de 100 instituciones, entre ellas el Sincrotrón ALBA, evalúan la viabilidad de construir un colisionador circular de alta energía de última generación como sucesor del LHC. Se deben explorar nuevas fronteras de energía para poder desenredar los misterios del universo relacionados con la materia oscura y la supersimetría.
Sin embargo, el objetivo fijado es que las energías de colisión del acelerador de partículas propuesto excedan en un factor de siete las del LHC, y esto tiene un precio. Es un gran reto garantizar un haz de protones estable a energías tan elevadas debido a la excitación los llamados “wakefields” (ondas de plasma) como consecuencia de una resistividad de cámara finita. Estos son el resultado de cargas espejo que se presentan en los alrededores de los protones. Los revestimientos altamente conductores en el interior de la cámara protectora del haz, que aloja el haz, puede ofrecer una solución al problema.
Comprendiendo el comportamiento de los vórtices magnéticos de materiales superconductores en las condiciones del FCC
En este contexto, se sugirió evaluar superconductores de alta temperatura como candidatos a revestir la pantalla del haz. La propiedad fundamental que debe cumplir un revestimiento de una pantalla de haz es tener una baja impedancia de superficie en las condiciones extremas esperadas del FCC-hh, esto es a una temperatura de 50 K, 1 GHz de frecuencia de acelerador y hasta 16 T de campo magnético. La resistencia de superficie general en estas condiciones estará gobernada por la condición del campo magnético. Para este propósito, es necesario entender el comportamiento de los vórtices magnéticos en conductores con revestimiento superconductor de alta temperatura en las condiciones mencionadas.
Este manuscrito, publicado en Scientific Reports, es una colaboración de investigadores e investigadoras del grupo Superconducting Materials and Large Scale Nanostructures (SUMAN) group del ICMAB, de la división de acelerador del Sincrotrón ALBA, de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) y del CERN. Los investigadores revelan la resistencia de superficie de siete conductores revestidos REBa2Cu3O7-x (RE = Rare Earth), que están disponibles en el mercado a gran escala, a 8 GHz, 20-70 K y hasta 9 T medido por un resonador dieléctrico Hakki-Coleman, que ha sido diseñado, construido y testado por los científicos de ALBA en colaboración con la UPC. Los científicos muestran qué tan diferentes pueden resultar las microestructuras de los conductores revestidos de REBa2Cu3O7-x – que dependen de las condiciones ajustables de crecimiento y de las nano adiciones utilizadas por el fabricante - una gran variedad de impedancias de superficie y parámetros de vórtice.
Haciendo un modelo del comportamiento del campo de la resistencia de superficie, se contribuye al entendimiento de las propiedades a altas frecuencias de los vórtices anclados de REBa2Cu3O7-x . Se dan límites de frecuencia para el régimen de bajo anclaje disipativo y se resaltan los límites explícitos entre microestructura, propiedades superconductoras y parámetros de vórtice. Finalmente, se llevan a cabo estimaciones de la impedancia de superficie para cada conductor revestido con base en los parámetros de vórtice extraídos para las condiciones del FCC-hh esperadas.
Estos cálculos sugieren resistencias de superficie hasta 70 veces menores que las exhibidas por el cobre, que es el material utilizado como revestimiento de la pantalla del haz en el LHC. Los márgenes esperados en la resistencia de superficie para los conductores revestidos de REBa2Cu3O7-x pueden permitir unas opciones del FCC-hh más eficientes y sostenibles y finalmente inclinar la balanza en las decisiones de materialización de la futura infraestructura del CERN.
Figure: To 50 K y 1 GHz impedancia de superficie extrapolada para Cu grueso pulverizado sobre acero inoxidable, señalado aquí como FCC Cu, y varios CCs como función del campo magnético. Las estrellas representan tanto la resistencia como los valores de reactancia de superficie para el FCC Cu. Las líneas lisas son resistencias de superficie, las líneas discontinuas son reactancias de superficie de los CCs. El proveedor de los CCs se marca en código de color.
Implicaciones para aplicaciones de microondas y ciencia de materiales
Este estudio también supone implicaciones interesantes para aplicaciones de campo de microondas y ciencia de materiales. Por una parte, los datos de resistencia de superficie generados demuestran el buen rendimiento en alta frecuencia y dentro del campo, de las tecnologías de revestimiento disponibles en el mercado y, por tanto, enfatiza la madurez que debe emplearse en las aplicaciones de microondas en las que grandes campos magnéticos son imperativos (al igual que en la detección de axiones en la búsqueda de materia oscura).
Por otro lado, la correlación demostrada entre la microestructura y los parámetros de vórtice pueden sentar las bases para la optimización de la producción de conductores revestidos de REBa2Cu3O7-x en la búsqueda de un punto óptimo entre rentabilidad y rendimiento de microondas necesario para alcanzar las demandas de aplicaciones específicas.
Referencia: 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
Enlace 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
