同步加速器和自由電子雷射器中,超導射頻腔的新替代材料!

2021-01-09 博科園

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在現代同步加速器和自由電子雷射器中，超導射頻諧振腔能夠提供能量極高的電子束。這些諧振器目前由純鈮構成。現在，一項國際合作研究了鈮錫塗層與純鈮相比的潛在優勢。目前，鈮是構建超導射頻諧振腔的首選材料。這些將用於HZB項目，如bERLinPro和BESSY-VSR，但也用於自由電子雷射器，如XFEL和lcl - ii。然而，塗上一層鈮錫(Nb3Sn)可以帶來相當大的改善。由鈮製成的超導射頻諧振腔必須在2開爾文(-271攝氏度)下工作。

這需要昂貴而複雜的低溫工程。相比之下，Nb3Sn塗層可能使諧振器在4開爾文而不是2開爾文下工作，並可能在不發生超導坍塌的情況下承受更高電磁場。在未來，這將為大型加速器節省數百萬歐元的建設和電力成本，因為冷卻的成本將大大降低。HZB SRF研究所所長延斯諾布洛赫(Jens Knobloch)教授領導的一個團隊，與來自美國、加拿大和瑞士的同事合作。對美國康奈爾大學(Cornell University)塗有Nb3Sn的超導樣品進行了測試。實驗在瑞士的保羅·舍勒研究所、加拿大的凱瑞夫和HZB進行。

該研究的第一作者塞巴斯蒂安·克克特(Sebastian Keckert)說：測量了超導Nb3Sn樣品在靜電場和射頻場中的臨界磁場強度，通過結合不同測量方法，能夠證實Nb3Sn在射頻場中臨界磁場高於靜磁場的理論預測。然而，塗層材料應該在射頻場中顯示出更高的臨界磁場水平。因此，試驗還表明，目前生產Nb3Sn所用的塗覆工藝可能需要改進，以便更接近理論值。Nb3Sn是目前除鈮外最有希望用於未來超導射頻腔的材料。

在腔體實驗中，脈衝工作時的臨界場達到120 mT以上，連續波工作時的臨界場達到80 mT左右。這與從低場表面阻抗測量中提取穿透深度導出的低臨界場相比要大得多。研究給出了穿透深度的直接測量方法，並由此導出了下臨界場和過熱場。在直流場和射頻場作用下，測量了穿透場。綜合結果證實，Nb3Sn空腔確實處於下臨界場以上的亞穩態運行，但目前僅限於遠低於過熱場的臨界場。

博科園｜研究/來自：希姆霍茲物質能源中心參考期刊《超導科學與技術》DOI: 10.1088/1361-6668/ab119e博科園｜科學、科技、科研、科普

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