近日，在美国能源部费米国家加速器实验室伊利诺伊加速器研究中心(IARC)工程师与科学家的带领下，费米实验室与欧几里得技术实验室(Euclid Techlabs)携手开展多年项目，成功测试一种新型微导电陶瓷，该材料将应用于粒子加速器关键组件——射频窗口，为提升加速器可靠性与功率带来新希望。
粒子加速器在科学和工业领域作用显著，既能推动重大科学发现，又可安全消毒医疗设备、去除水和土壤中的危险化学物质、清除果蔬中的有害生物。然而，即便性能强大的加速器，也可能因薄弱环节出现故障。随着更高功率、更昂贵的加速器在各领域的应用需求增加，研究人员正致力于提高其可靠性、优化投资回报。
费米实验室工程师凭借数十年设计、建造和操作超导射频加速器的经验，致力于为更广泛的科学和工业用途提供功率更高、可靠性更强的机器。IARC 承担着推动超导射频技术商业化的使命，此次与专注于该技术及材料研究的欧几里得技术实验室展开合作。
研究团队聚焦加速器关键部件射频窗口，开展新型微导电陶瓷测试。射频窗口是功率耦合器的一部分，耦合器负责将射频能量从外部电源传输至加速器腔体，进而使粒子加速。射频耦合器两侧环境不同，一侧连接真空密封的加速器腔体，另一侧暴露在大气压力下，陶瓷射频窗口则起到隔离两个环境的作用。
费米实验室 IARC 参与工业级 SRF 开发的工程师克里斯·爱德华兹(Chris Edwards)形象地比喻道：“它就像家里的窗户，能透光却能阻挡冷空气进入。在加速器中，射频窗口允许功率通过，却能阻止大气泄漏到真空侧，哪怕微小泄漏都可能导致加速器损坏或无法运行。”
SRF加速器的横截面图显示，新的射频窗口(右侧)是耦合器的一部分，用于接收来自电源的射频功率。射频窗口充当正常气压和真空气压之间的屏障，防止功率泄漏，并提高加速器的可靠性。图片来源：Josh Helsper，费米实验室
由于射频能量无法穿透金属，射频窗口必须由陶瓷制成，并通过钎焊与内外金属导体连接。陶瓷虽能允许高能射频功率通过，但作为绝缘体不导电，会导致电子等带电粒子在其表面积聚，引发电击穿，最终损坏窗口。随着加速器功率不断提高，陶瓷受损风险增大，因此配备更可靠的陶瓷窗口十分必要。
针对这一问题，欧几里得技术实验室利用自身在陶瓷材料和制造工艺方面的专业优势，开发出使陶瓷具有微导电性的技术。这种新型导电陶瓷既能去除陶瓷表面和体内积聚的电荷，又能保持较低的射频能量损耗，满足应用需求，并为费米实验室团队提供了采用该新型陶瓷制成的功率耦合器。
欧几里得技术实验室的科学家本·弗里米尔(Ben Freemire)表示：“这种新型导电陶瓷性能不逊于甚至优于传统氧化铝陶瓷窗，还能避免与充电相关的问题。”
费米实验室在其设施内对原型进行了测试，成果令人鼓舞。参与项目的费米实验室工程物理学家谢尔盖·卡扎科夫(Sergey Kazakov)称：“结果非常好，耦合器测试达到了 80 千瓦的全反射功率，功率受限因素是测试设备，而非耦合器本身。通过聚焦 SRF 加速器中风险较高的部件之一，我们生产并测试出更可靠的陶瓷，有助于加速器持续运行，降低部件损坏风险。”
据费米实验室 IARC 工程师兼项目负责人 Josh Helsper 介绍，下一步计划进一步改进射频窗口，使其最终应用于实际 SRF 加速器。这需要将陶瓷牢固连接到铜套管上，初期原型采用焊接工艺，但实际加速器应用需采用钎焊工艺，该工艺能将金属接头表面和填充金属加热至更高温度，形成更牢固连接，且可连接不同金属，还能使铜与加速器中常用的更坚固材料(如金铜或银铜混合物)熔合。
射频窗口原型由导电陶瓷和铜套组成。照片：Chris Edwards
钎焊这些部件需特殊设施和设备，温度需达到约 1832 华氏度(1000 摄氏度)，且在真空中进行以防止氧化。欧几里得技术实验室已测试新型钎焊导电陶瓷的电导率和功率泄漏率，结果显示其满足 SRF 加速器要求。
如今，新型陶瓷材料和钎焊工艺测试成功，费米实验室团队将寻求功率耦合器制造商，以标准化钎焊陶瓷射频窗口的生产。
爱德华兹表示：“这项工作对推进工业级 SRF 技术至关重要，是费米实验室前沿工作的一部分，为未来加速器发展奠定了良好基础。”
