粒子加速器价格昂贵，但其高昂的价格是有原因的：这些独一无二的先进机器经过精心设计和建造，可帮助我们解开宇宙的奥秘。尽管如此，建造这些机器的科学家和工程师必须尽最大努力节省开支。美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施的研究人员正在研究如何优化腔体(加速器最关键的部分之一)来支持这项任务。

腔体是由铌制成的管子，铌是一种在极低温度下会变成超导的金属，它使腔体能够传导强大的电磁场，从而有效地加速粒子。腔体中磁场越强，加速器整体就越短。

“你的加速器可以只有 10 英里长，而不是 20 英里，”去年从杰斐逊实验室退休的高级加速器物理学家查尔斯·里斯 (Charles Reece) 说。“这就是房地产。这可以大大节省成本。”

然而，腔体场不能无限增大而不产生任何后果。如果场太大，腔体会过热并失去超导性。为了生产能够支持最高加速场的腔体，实验室使用不同的配方来制备铌。例如，费米国家加速器实验室开发的一种工艺是在 300° 摄氏度下加热腔体。

杰斐逊实验室的科学家埃里克·莱希纳 (Eric Lechner) 说：“通过这一工艺，他们发现腔体的性能有所提高，但没有人真正了解发生了什么。”在三年前发表的论文中，莱希纳、里斯和其他研究人员使用二次离子质谱法研究了按照此配方制备的样品，这使他们能够研究铌表面的成分。

他们发现氧气在不知不觉中被引入。当纯铌腔体暴露在空气中时，其表面会形成氧化物。在加热过程中，氧化物会分解，其组成氧原子会溶解到铌晶体缝隙中几微米处。

当时，杰斐逊实验室加速器科学家开始开发一种描述氧气扩散的数学模型。在 4 月发表在《应用物理学杂志》上的一篇论文中，他们进一步扩展和验证了这个模型，该模型现已成熟，可以预测更复杂的配方如何影响氧气扩散和腔体性能。

“该模型描述了铌表面的原生氧化物如何随温度和烘烤时间的推移而分解并扩散到表面，”里斯说。“我们可以用它来精确调整表面处理，以获得最佳和最可靠的性能。”

更广泛的食谱

此前，该模型描述的是 300° 摄氏度的真空热处理。在此过程中，只有五氧化二铌在铌表面分解。然而，更高的温度以及在 300° 摄氏度下更长时间的烘烤也常用于制备铌腔体，其中其他氧化物成分会分解。

Lechner 根据这些其他配方制备了铌样品。弗吉尼亚理工大学前研究生 Jonathan Angle 进行的二次离子质谱分析表明，该模型可以捕捉这些更复杂的真空热处理中氧气迁移的基本特征。

研究人员随后扩展了该模型，以描述由于表面处理过程中引入的氧含量而导致的超导性能变化。他们将该模型应用于过去的实验，以将氧含量与最终的腔体性能联系起来。

低温烘烤通常涉及将腔体加热至 120° 摄氏度并持续 24 至 48 小时。这种配方已经使用了 20 年，因为它可以生产出能够处理更高场的腔体——但它为何有效仍是一个谜。

“我们问‘我们能否使用我们的模型来研究氧气扩散是否与这种现象有关?’”莱希纳说。该团队将该模型与过去的低温实验进行了比较，结果非常吻合，表明氧气扩散确实是性能提升的背后原因。

进一步的分析使研究人员能够将表面氧含量的变化与腔体的峰值场联系起来。研究结果使研究人员相信，氧正在改变铌的行为，以防止材料中形成在高场中可能形成的磁涡旋。这些磁涡旋会产生热量，从而限制腔体的性能。含氧铌可以使磁场调高，而不会产生这些涡旋并产生过多的热量。

“这项研究揭示了低温烘烤背后的可能机制，这仍然是个谜。我们的模型表明了在哪里可以找到对这一假设的更多实验证实，”莱希纳说。“还有其他材料正在为粒子加速器腔体开发，理解这一现象可能也会转化为这些材料。”

预测能力

除了解释过去的配方为何有效之外，该模型还展示了如何改进它们。

“我们在理解材料特性方面取得了重大进展，足以获得一些预测能力，”里斯说。“我们现在了解得足够多，可以消除猜测。这可以节省加速器建设中的大量成本。”

为各种加速器项目准备腔体的团队可以使用该模型来开发一种可产生所需特性的工艺。这些工艺可能涉及定制起始条件，例如故意在铌表面添加特定类型的氧化物。该模型还表明，扩散到铌深处的氧气越多，越能防止涡流的形成。

“对于低温烘烤，我们的模型表明，如果你能在表面充满氧气，你可能会获得更好的性能，”莱希纳说。

铌加工成本高昂，且具有排他性;世界上只有少数几个地方可以做到这一点。加速器科学家希望有一天能用沉积技术将铌腔完全替换为涂有薄铌膜的铜腔。

“这项研究描述了氧化物溶解到铌薄膜中的过程，并告诉你如何做到这一点，”里斯说。“我们在杰斐逊实验室有一个研究项目，长期以来一直在努力开发这种技术，并且正在取得进展。”

与此同时，研究人员希望他们的模型能够在未来的实验中帮助调整蛀牙的处方。

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