Novos horizontes na SRF: além da HL

A inovação na tecnologia e aplicações de radiofrequência supercondutora (SRF) é fundamental para o sucesso do projeto LHC de alta luminosidade (HL-LHC) e dos colisores de partículas da próxima geração que se seguirão. Frank Gerigk, líder do grupo de RF do CERN, avalia o progresso no roteiro de P&D da SRF e os rigorosos requisitos de fabricação e desempenho que já estão sendo visualizados.

O compromisso do CERN com as tecnologias supercondutoras de radiofrequência (SRF) vem de longa data – abrangendo mais de quatro décadas de investimento sustentado em infra-estruturas, I&D aplicado, inovação a nível de dispositivos e sistemas, bem como colaboração internacional com parceiros académicos e industriais. Se essa for a manchete, o que vem a seguir para o programa SRF do CERN?

Uma recapitulação das realizações da SRF do CERN é instrutiva neste momento, antes de desvendar o roteiro de I&D e inovação a longo prazo. Para começar, as cavidades SRF – uma tecnologia robusta para aceleradores de fronteira em física de partículas, física nuclear e ciência de materiais – foram fundamentais para levar o colisor Large Electron-Positron (LEP) do CERN a novos regimes de energia. No final da década de 1990, um total de 288 cavidades SRF – cada uma compreendendo uma fina película de nióbio supercondutor espalhado sobre uma cavidade de cobre – foram instaladas no LEP-II, fornecendo até 7 MV/m de gradiente de aceleração e permitindo que a máquina eventualmente alcançasse uma energia do centro de massa de 209 GeV (contra 91 GeV da máquina LEP original). No início do milénio, o LEP-II era a instalação SRF mais poderosa do mundo.

Avançando para 2010 e o advento do projecto HIE-ISOLDE, a actualização de “alta intensidade e energia” da instalação de feixes radioactivos do CERN, que desbloqueou mais investimentos no programa SRF. Operacionalmente, o objetivo do HIE-ISOLDE era aumentar a energia dos feixes de radionuclídeos do ISOLDE de 3 MeV/u até 10 MeV/u através da construção de um pós-acelerador supercondutor – necessitando, por sua vez, do projeto, processamento e teste de massa- cavidades SRF de nióbio junto com melhor desempenho de revestimento para cavidades SRF de nióbio-cobre de filme fino.

Os engenheiros do CERN desenvolveram devidamente um protótipo completo das cavidades de quarto de onda revestidas de 100 MHz para o HIE-ISOLDE antes de lançar a tecnologia para a indústria. Posteriormente, porém, diversas cavidades terceirizadas apresentaram limitações de desempenho, ligadas a uma costura de soldagem em região de cavidade com altas correntes superficiais. Para resolver este problema, a equipe de RF do CERN apresentou uma solução alternativa inovadora que provou ser crucial para ampliar o desempenho das cavidades SRF de filme fino.

Simplificando, a cavidade HIE-ISOLDE foi redesenhada de forma que pudesse ser usinada a partir de uma única peça de cobre sem soldas. Após o revestimento com nióbio e testes subsequentes em 2017, a nova cavidade produziu campos de pico de superfície sem precedentes de mais de 60 MV/m e um valor Q de 109 a 2,3 K. Esses números de mérito – bem acima da meta de qualificação de aproximadamente 30 MV /m (Q = 5 × 108) – deu uma direção clara para mais P&D em cavidades de película fina em substratos de cobre sem costura, com quatro criomódulos (cada um contendo cinco cavidades SRF) instaladas posteriormente como parte da atualização HIE-ISOLDE. Significativamente, esta foi também a primeira vez que uma cavidade de “produção” usando nióbio de película fina sobre cobre deu resultados comparáveis ​​aos das cavidades de nióbio a granel, cujo desempenho tinha visto rápidos avanços ao longo da década anterior como resultado do esforço colectivo de I&D voltado para o Colisor Linear Internacional (ILC).

Neste momento, no centro do roteiro da tecnologia SRF está o projeto HL-LHC, um empreendimento ambicioso para aumentar a luminosidade integrada por um fator de 10 além do valor de design do LHC e, ao fazê-lo, abrir novas oportunidades para aplicações fundamentais. física a partir de 2030. Uma vez operacional, o HL-LHC usará “cavidades de caranguejo” de nióbio supercondutor para otimizar o cruzamento do grupo nos pontos de interação das partículas – aumentando e “nivelando” assim a luminosidade das colisões próton-próton. Isto é conseguido girando os grupos de partículas ligeiramente antes da colisão e retornando-os à sua orientação original após a interação (consulte “Colisões criadas”).