康奈爾大學(xué)明亮光束中心的一組科學(xué)家進(jìn)行的新研究在開發(fā)新技術(shù)以指導(dǎo)下一代粒子加速器中使用的材料的生長方面取得了重大進(jìn)展。
該研究發(fā)表在《物理化學(xué)雜志C》上，揭示了更好地控制超導(dǎo)Nb3Sn薄膜生長的潛力，這可以顯著降低超導(dǎo)技術(shù)所需的低溫基礎(chǔ)設(shè)施的成本和尺寸。
超導(dǎo)加速器設(shè)施，例如用于X射線自由電子激光輻射的設(shè)施，依靠鈮超導(dǎo)射頻(SRF)腔來產(chǎn)生高能束流。然而，相關(guān)的低溫基礎(chǔ)設(shè)施、能源消耗和鈮SRF腔的運(yùn)營成本限制了這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。
為了解決這個問題，研究人員一直在努力尋找可以在高于2開爾文的溫度下工作且品質(zhì)因數(shù)與鈮(Nb)SRF腔相當(dāng)?shù)某瑢?dǎo)材料。最有前途的材料之一是鈮錫(Nb3Sn)，這是一種工作溫度為18開爾文的合金，因此減少了對昂貴的低溫基礎(chǔ)設(shè)施的需求。
盡管在Nb3Sn涂層腔的性能方面取得了理論和實(shí)驗(yàn)上的進(jìn)步，但仍然需要透徹了解如何生長更高質(zhì)量的Nb3Sn合金薄膜。
“Nb3Sn空腔將成為未來的加速器，”藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院HelenT.Edwards物理學(xué)教授兼明亮光束中心主任RitchiePatterson說。“只有通過多樣化的合作才能推動這門科學(xué)的發(fā)展——這是CBB核心的一個重要重點(diǎn)。我們所有合作機(jī)構(gòu)之間的專業(yè)知識和密切合作正在推動這項(xiàng)研究走向未來。”
這項(xiàng)新的CBB研究由芝加哥大學(xué)的實(shí)驗(yàn)材料化學(xué)家與佛羅里達(dá)大學(xué)的理論物理學(xué)家聯(lián)合進(jìn)行，提供了氧化鈮上Sn的第一張原子級圖像，描繪了Nb3Sn形成的早期階段。這種Sn在氧化鈮上的吸附和擴(kuò)散可視化是創(chuàng)建用于優(yōu)化下一代加速器腔制造的機(jī)械公式的重要進(jìn)步。
“Nb3Sn的質(zhì)量和加速性能取決于生長過程中發(fā)揮作用的許多復(fù)雜變量，”芝加哥大學(xué)CBB研究生、該論文的共同主要作者SarahWillson和博士后學(xué)者RachaelFarber說。“我們的目標(biāo)是研究復(fù)雜生長過程的初始步驟，并在受控環(huán)境中隔離某些變量。”他們的原子級生長實(shí)驗(yàn)得到了研究生AjinkyaHire的量子理論的支持。
在制備Nb3Sn加速器腔體時，科學(xué)家們旨在減少鈮腔體中的雜質(zhì)和污染物，以獲得更清潔和更均勻的表面。然后在存在Sn蒸汽的情況下將空腔加熱到高溫。這導(dǎo)致Sn擴(kuò)散到Nb層中，形成Nb3Sn。由于采取了謹(jǐn)慎的措施來生長原始的??Nb3Sn薄膜，仔細(xì)觀察空腔會發(fā)現(xiàn)一個高度無序、粗糙的多晶表面——而不是高度受控實(shí)驗(yàn)理想的一致單晶表面。
Willson解釋說，為了進(jìn)行這個實(shí)驗(yàn)，他們在某種程度上重現(xiàn)了真實(shí)世界的制腔過程，但進(jìn)一步超過了所需的溫度要求——將材料加熱到1630攝氏度，并創(chuàng)造出原子級扁平的鈮氧化物表面以展示Sn、Nb和O在原子水平上的相互作用。
金屬氧化物的觀察通常使用掃描隧道顯微鏡(STM)進(jìn)行，揭示原子尺度的信息。然而，使用STM研究Nb3Sn生長的具體設(shè)置并不容易獲得。因此，Willson和Farber創(chuàng)建了一個。
他們設(shè)計并建造了一個定制的金屬沉積室，用于將Sn沉積在鈮表面上。該技術(shù)重現(xiàn)了開發(fā)加速器腔的真實(shí)環(huán)境——能夠防止表面污染——同時允許研究人員使用STM研究沉積。
“我們采用了最先進(jìn)的STM設(shè)置，它并不是真正用于研究高溫金屬生長和合金形成，但通過CBB的資金，增加了金屬間化合物生長室，使我們能夠進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)原位，”Willson說，并指出使用金屬間化合物生長部分揭示了與鈮亞表面結(jié)合的單個Sn原子。
“我們發(fā)現(xiàn)，即使在高度受控的環(huán)境中，Nb表面也是阻止Nb3Sn形成所需的Sn擴(kuò)散的主要障礙，”Willson說。“改善Nb3Sn的生長不僅僅是簡單地在鈮上形成一層均勻的錫涂層。”
這項(xiàng)研究由通訊作者、芝加哥大學(xué)CarlWilliamEisendrath杰出服務(wù)教授StevenSibener與CBB教員、佛羅里達(dá)大學(xué)材料科學(xué)與工程校友教授RichardHennig合作領(lǐng)導(dǎo)。
物理化學(xué)家Sibener表示，加速器科學(xué)和非加速器科學(xué)的不同領(lǐng)域之間的合作在他的經(jīng)歷中是獨(dú)一無二的，有助于為推進(jìn)粒子加速器奠定基礎(chǔ)，并期待Nb3Sn的有希望的發(fā)展。
“CBB引發(fā)的合作，表面化學(xué)家、材料工程師、加速器物理學(xué)家和理論家以這種方式互動的能力，無疑增強(qiáng)了這項(xiàng)研究的力量，”Willson說。“就個人而言，我對如何正確應(yīng)對與跨科學(xué)領(lǐng)域的不同術(shù)語、優(yōu)先事項(xiàng)和研究觀點(diǎn)相關(guān)的挑戰(zhàn)有了更深入的了解。許多化學(xué)家對工程師和物理學(xué)家遇到的這些類型的界面金屬生長挑戰(zhàn)很感興趣。這種合作促進(jìn)了廣泛的跨學(xué)科交流，使進(jìn)行這樣的研究更加舒適和高效。”
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