在現(xiàn)代同步加速器和自由電子激光器中，超導(dǎo)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(gòu)成?，F(xiàn)在，一項(xiàng)國(guó)際合作研究了鈮錫涂層與純鈮相比的潛在優(yōu)勢(shì)。目前，鈮是構(gòu)建超導(dǎo)射頻諧振腔的首選材料。

這些將用于HZB項(xiàng)目，如bERLinPro和BESSY-VSR，但也用于自由電子激光器，如XFEL和lcl - ii。然而，涂上一層鈮錫(Nb3Sn)可以帶來相當(dāng)大的改善。由鈮制成的超導(dǎo)射頻諧振腔必須在2開爾文(-271攝氏度)下工作。

這需要昂貴而復(fù)雜的低溫工程。相比之下，Nb3Sn涂層可能使諧振器在4開爾文而不是2開爾文下工作，并可能在不發(fā)生超導(dǎo)坍塌的情況下承受更高電磁場(chǎng)。在未來，這將為大型加速器節(jié)省數(shù)百萬歐元的建設(shè)和電力成本，因?yàn)槔鋮s的成本將大大降低。HZB SRF研究所所長(zhǎng)延斯?諾布洛赫(Jens Knobloch)教授領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，與來自美國(guó)、加拿大和瑞士的同事合作。對(duì)美國(guó)康奈爾大學(xué)(Cornell University)涂有Nb3Sn的超導(dǎo)樣品進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)在瑞士的保羅·舍勒研究所、加拿大的凱瑞夫和HZB進(jìn)行。

該研究的第一作者塞巴斯蒂安·克克特(Sebastian Keckert)說：測(cè)量了超導(dǎo)Nb3Sn樣品在靜電場(chǎng)和射頻場(chǎng)中的臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度，通過結(jié)合不同測(cè)量方法，能夠證實(shí)Nb3Sn在射頻場(chǎng)中臨界磁場(chǎng)高于靜磁場(chǎng)的理論預(yù)測(cè)。然而，涂層材料應(yīng)該在射頻場(chǎng)中顯示出更高的臨界磁場(chǎng)水平。因此，試驗(yàn)還表明，目前生產(chǎn)Nb3Sn所用的涂覆工藝可能需要改進(jìn)，以便更接近理論值。Nb3Sn是目前除鈮外最有希望用于未來超導(dǎo)射頻腔的材料。

在腔體實(shí)驗(yàn)中，脈沖工作時(shí)的臨界場(chǎng)達(dá)到120 mT以上，連續(xù)波工作時(shí)的臨界場(chǎng)達(dá)到80 mT左右。這與從低場(chǎng)表面阻抗測(cè)量中提取穿透深度導(dǎo)出的低臨界場(chǎng)相比要大得多。研究給出了穿透深度的直接測(cè)量方法，并由此導(dǎo)出了下臨界場(chǎng)和過熱場(chǎng)。在直流場(chǎng)和射頻場(chǎng)作用下，測(cè)量了穿透場(chǎng)。綜合結(jié)果證實(shí)，Nb3Sn空腔確實(shí)處于下臨界場(chǎng)以上的亞穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，但目前僅限于遠(yuǎn)低于過熱場(chǎng)的臨界場(chǎng)。

博科園｜研究/來自：希姆霍茲物質(zhì)能源中心

參考期刊《超導(dǎo)科學(xué)與技術(shù)》

DOI: 10.1088/1361-6668/ab119e

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普