Mélanger les métaux pour de meilleures performances

Shreyas Balachandran de Jefferson Lab est honoré pour ses progrès dans la transformation des alliages de niobium en pièces d'accélérateur de nouvelle génération

DOE/Thomas Jefferson National Accelerator Facility

image: Shreyas Balachandran a été choisi pour recevoir le Prix d'excellence des matériaux cryogéniques de l'ICMC, décerné chaque année à une personne de moins de 40 ans qui a fait preuve d'innovation, d'impact et de reconnaissance internationale pour son travail dans l'avancement des connaissances sur les matériaux cryogéniques.Voir plus

Crédit : Laboratoire Jefferson du DOE : AIleen Devlin

NEWPORT NEWS, VA - Une fascination adolescente pour les métaux a conduit à un prestigieux prix de début de carrière pour un scientifique des matériaux de radiofréquence supraconductrice (SRF) au Thomas Jefferson National Accelerator Facility du Département américain de l'énergie.

Shreyas Balachandran a été choisi pour recevoir le Prix d'excellence des matériaux cryogéniques de l'ICMC, décerné chaque année à une personne de moins de 40 ans qui a fait preuve d'innovation, d'impact et de reconnaissance internationale pour son travail dans l'avancement des connaissances sur les matériaux cryogéniques.

"C'est bien d'être reconnu pour ce que vous faites, mais c'est un témoignage des gens qui ont cru en vous et vous ont donné une chance", a déclaré Balachandran. "J'ai eu d'excellents mentors tout au long de mon parcours. Et je considère ce prix comme une reconnaissance pour tous ceux qui ont été impliqués dans tout le travail que j'ai accompli."

Les recherches de Balachandran se concentrent fortement sur le niobium, qui, entre autres applications, est utilisé pour fabriquer des cavités supraconductrices pour les accélérateurs de faisceaux de particules, y compris la puissante installation d'accélérateur de faisceaux d'électrons continus de Jefferson Lab, ou CEBAF. Le CEBAF est une installation utilisateur du DOE Office of Science qui abrite plus de 1 850 physiciens nucléaires dans le monde.

Les cavités en niobium constituent l'ossature d'un accélérateur. Ils sont logés dans une chaîne de cryomodules et surfondus par de l'hélium liquide à environ 2 Kelvin, ou -456 Fahrenheit, pour annuler la résistance normale et accélérer les électrons lorsqu'ils passent à une vitesse proche de la lumière, fournissant des faisceaux pour les expériences.

Le niobium est essentiel pour les accélérateurs de particules pour la recherche scientifique et dans la découverte de matériaux, le traitement médical et l'assainissement de l'environnement. Les scientifiques et les ingénieurs travaillent constamment pour affiner les performances du métal en améliorant son traitement ou en le combinant avec d'autres éléments, tels que le titane, l'azote, l'étain et l'aluminium pour créer des alliages et des structures plus efficaces, durables et supraconducteurs.

Les travaux de Balachandran comprennent le développement d'un nouvel alliage niobium-tantale-hafnium avec des applications pour les fils supraconducteurs de nouvelle génération. Il expérimente actuellement le Nb3Sn, un composé de niobium-étain supraconducteur à une température plus élevée que le niobium pur, ce qui éliminerait le besoin de cryoplantes massives et coûteuses et pourrait un jour changer la donne dans les accélérateurs à haute énergie. Bien que le Nb3 Sn soit plus fragile que le niobium, il pourrait éliminer le besoin de grandes et coûteuses installations de réfrigération cryogénique pour refroidir les cavités des accélérateurs de particules. Cela changerait la donne pour les accélérateurs de particules à haute énergie.

Un détective en métallurgie

Balachandran est né et a grandi à Bangalore, dans le sud de l'Inde. Son intérêt pour les métaux a été piqué lors d'un concours au lycée, ce qui l'a conduit à dévorer des livres de niveau collégial sur la métallurgie. Cela s'est poursuivi alors qu'il poursuivait son baccalauréat en génie mécanique au RV College of Engineering en Inde et à la Texas A&M University à College Station, où il a obtenu sa maîtrise et son doctorat. Sa thèse de doctorat portait sur « le développement de la microstructure dans le niobium en vrac après une déformation plastique sévère et un recuit ».

Avec une subvention d'intendance d'accélérateur du DOE, il a mené des travaux postdoctoraux au Centre de supraconductivité appliquée du National High Magnetic Field Laboratory (MagLab) de la Florida State University à Tallahassee de 2015 à 2018. Ses recherches comprenaient le développement de matériaux de niobium de haute pureté pour la supraconductivité Applications SRF pour les accélérateurs linéaires.

De 2018 à 2022, Balachandran a rejoint la faculté de recherche invitée du MagLab. Là, il a développé l'alliage niobium-tantale-hafnium, qui pourrait être transformé en fils fins durables pour des aimants de recherche de haute puissance capables de transporter environ 1500 ampères par millimètre carré (à 4 Kelvin, 16 Tesla). Ceci est largement supérieur au cuivre, considéré comme un excellent conducteur d'électricité, évalué à 1-5 ampères par millimètre carré. L'alliage est maintenant disponible dans le commerce aux États-Unis et au Japon.

Balachandran et ses collègues ont également effectué une autopsie des défaillances causées par l'assemblage de l'aimant lors de la mise à niveau à haute luminosité du Large Hadron Collider au CERN en Suisse. Après avoir vérifié de manière indépendante la cause des pannes de conducteur - et donc des pannes d'aimant - le CERN a poursuivi sa mise à niveau.

"Je suis facilement attiré par la découverte de la raison pour laquelle quelque chose se passe", a déclaré Balachandran. "Nous sommes presque comme un détective essayant de comprendre pourquoi les matériaux font ce qu'ils font."

Balachandran collabore avec Jefferson Lab depuis 2015 pour améliorer les performances du niobium. Il a été recruté en tant que scientifique des matériaux en 2022 pour faire avancer la recherche et le développement de cavités supraconductrices plus efficaces pour le CEBAF grâce à de nouvelles techniques de traitement, revêtements ou matériaux.

Les cavités en niobium-étain, par exemple, pourraient fonctionner aussi bien que celles en niobium, mais à 4 Kelvin plutôt qu'à 2 Kelvin. Cette différence nécessiterait beaucoup moins d'espace au sol en utilisant un refroidisseur cryogénique pour atteindre des températures supraconductrices plutôt qu'une cryoplante massive logée dans un bâtiment à plusieurs étages.

"Vous pouvez essentiellement réduire l'ensemble du système à une taille gérable", a déclaré Balachandran. "Ainsi, vous pouvez avoir des machines plus petites et efficaces produisant des faisceaux à la même énergie. C'est dans cette direction que va toute cette technologie. Et il y a beaucoup de travail passionnant devant nous pour y arriver", a-t-il déclaré.

Le prix d'excellence ICMC pour les matériaux cryogéniques sera présenté le 11 juillet lors de la conférence annuelle du groupe à Honolulu, Hawaï. Il est accompagné d'un prix en espèces et d'une invitation pour Balachandran à faire une présentation sur ses recherches.

Par Tamara Dietrich

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Jefferson Science Associates, LLC, gère et exploite le Thomas Jefferson National Accelerator Facility, ou Jefferson Lab, pour le Bureau des sciences du Département américain de l'énergie. JSA est une filiale en propriété exclusive de la Southeastern Universities Research Association, Inc. (SURA).

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