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下一代超导材料将推动粒子加速器的创新与发展

高新材料 超导材料 粒子加速器 费米实验室
发布:2021-03-16 11:59:30    

由康奈尔(Cornell)领导的国家科学基金会科学与技术中心-亮束中心(CBB)的一组科学家正在研究下一代超导材料,这些材料将大大降低与操作大型粒子加速器相关的成本并降低其对环境造成的影响。

 
铌3-锡现已成为SRF腔中有史以来第一个可用的铌替代品。

粒子加速器在在应对气候变化中发挥着至关重要的作用,可以帮助加强诸如锂离子和太阳能电池板等的存储能力。但是操作其中一些大型机器所需的能量巨大,不仅增加了他们寻求减少的碳足迹,而且限制了它们的可及性,能耗是研究人员的主要障碍。

加速器使用由铌制成的超导射频(SRF)腔,以接近光速的速度推动电子等粒子。铌腔的典型工作温度为2开尔文,即456华氏度。将加速器腔体冷却到这些温度需要大量的液氦基冷却(低温),这在较小的机构中是不容易获得的。

“我们梦寐以求的这些超大型机器中与现有技术几乎不可行,”康奈尔大学艺术与科学学院物理学教授,SRF腔室负责人Matthias Liepe说。“你必须建造一座核电站来运行它们,这肯定不在可行的范围内,也没有什么可以得到的。”

更加高效的加速器技术将不仅在能源开发和存储领域,而且在医疗,大规模卫生和半导体行业,以及基础研究的关键领域,都将引发大量研究。

根据Liepe的说法,操作这些机器所需的低温设备的复杂性,尺寸和功耗严重限制了它们只能使用大型非工业加速器。他说:“一切都取决于铌SRF腔的性能和成本。”

CBB的跨学科科学家团队代表全国的大学和国家实验室,正在通过革新SRF技术和采用下一代材料(主要是铌3-锡)来解决这一问题方面取得重大进展。

“铌由于其非常好的性能,几十年来一直是最先进的SRF材料。而且由于它是纯金属,因此制造这些型腔相当容易。”前康奈尔大学SRF研究生,现在是能源部费米国家加速器实验室的科学家兼副处长,也是CBB的会员。“虽然铌3-锡是铌和锡的特定混合物,但制造空洞有些困难,但在许多应用中值得付出很大的努力。”

铌3-锡在18开尔文温度下变为超导,从而使研究人员可以在更高的温度下操作SRF腔体-显着提高。

“与更高的工作温度相比,公司可以使用称为低温冷却器的小型设备来冷却型腔,而不是大型,复杂且难以维护的低温设备,”与费米实验室同事进行相关研究的波森说。“这可以在同位素生产,废水处理和半导体行业工具等领域实现新的工业粒子加速器应用。”

在该中心运营的头四年中,CBB研究人员开发了功能强大的理论和实验工具,用于材料筛选和RF性能测试,展示了其他材料(如氮化铌和氮化钛铌)的潜在应用。CBB的协作模型使这些发展成为可能,该模型汇集了来自各个领域的专家,其中包括实验家和理论家。NSF的这项合作以及能源部提供的其他资金,不仅推动了粒子加速方面的发现,而且推动了电子束的产生和传输。

从长远来看,CBB团队希望可以将铌3锡腔用于高能线性对撞机,因为预计该材料将承受比铌更高的电磁场。

“到目前为止,这还没有得到证实,”波森说,“但是,我们一直在朝着这个令人兴奋的目标迈出稳步的步伐。”

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