随着每一个为研究而建造的新粒子加速器，科学家们都有机会突破发现的极限。但这只有在新粒子加速器能够提供所需性能的情况下才是正确的——在每台新机器都是同类第一台的世界里，这不是一件小事。在每个项目机会中，研究人员都试图改进关键成分的制备方法，以便获得“更好的经济效益”。

美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施的加速器科学家一直在领导这一改进过程。基于数十年的经验学习，他们正在对粒子加速器组件的制造方式、表面的微观粗糙度是什么样的以及所有这些如何影响组件的性能进行分类。他们的最终目标是一种基于用于制备其零件的特定配方来研究和预测粒子加速器最终性能的功能方法。

去年从杰斐逊实验室SRF研究所退休的高级加速器物理学家查尔斯·里斯(CharlesReece)解释说：“我们正在努力找到一种方法来理解正在发生的不同事情，然后通过这种理解来制定一个非常有意的过程。”

现在，该团队已经研究了几种代表性的表面处理方法来测试他们的方法。他们发现，它不仅成功地预测了性能，而且还指出了尚未大规模测试的更好的表面处理。结果出现在《PhysicalReviewAcceleratorsandBeams》中。

铌表面处理

基本上所有先进粒子加速器的主干都是称为射频腔的结构，通常由金属铌制成。当过冷到接近绝对零的温度时，铌空腔变得超导。该技术是建造高效节能、大型粒子加速器的唯一途径。

几十年来，加速器科学家们相信最好的超导射频(SRF)腔是由最纯净的铌制成的，表面无污染。例如，杰斐逊实验室的连续电子束加速器设施(CEBAF)就是用纯铌腔构建的。CEBAF是一个科学办公室用户设施，是全球1,900多名核物理学家的研究基地。

然而，近年来，美国能源部研究人员发现，在铌表面烘烤一些污染物(例如氮气)可以通过产生更少的热量来提高腔体的性能。这种“氮掺杂”过程是在美国能源部费米国家加速器实验室(费米实验室)发现的。该工艺通过将少量氮气扩散到铌材料表面来提高性能。

初始氮掺杂处理的性能非常强大，以至于美国能源部位于加利福尼亚州的SLAC国家加速器实验室两次选择它来升级直线加速器相干光源(LCLS)X射线激光器。费米实验室领导了多实验室合作，迅速为此类高效加速器所用的材料和加工方法建立了新标准。

“这两个项目都使用氮掺杂，但是两种不同的配方。并且观察到，两种配方之间空腔可以达到的峰值场的分布是不同的。所以问题是为什么?”里斯说。

升级LCLS的两个项目是LCLS-II和LCLS-II-HE。LCLS-II项目是一项历时数年、耗资11亿美元的升级项目，为机器添加了第一批SRF组件。SRF加速器技术的升级使激光器每秒可产生高达100万个X射线脉冲，是其前身的8,000倍。LCLS-II-HE添加了额外的SRF组件，使LCLS-II的能量增加了一倍。更高的能量将使机器能够产生更短的X射线并获得更多的科学知识。

由于Jefferson实验室参与了LCLS的两个不同升级项目，该团队获得了有关所用制备技术以及组件性能测试结果的大量信息。

“最终峰值加速梯度存在差异，具体取决于氮掺杂过程，”领导测试工作的杰斐逊实验室科学家埃里克·莱赫纳(EricLechner)说。“我们想看看这些工艺之间的表面粗糙度有何不同，并将其与在这些腔体中测量的性能进行比较。”

研究表面粗糙度

该研究的重点是顺序电解抛光对氮掺杂铌样品的影响。掺杂后，对样品进行电解抛光，以去除腔表面的外层。电解抛光既可以去除表面污染物，又可以使型腔表面光滑。

该团队已经开发出一种生产标准化样品并对它们进行受控电解抛光的方法。他们组装了一个新颖的工具包，用于测量和分析表面形貌，以估计其对性能的影响。这些工具包括扫描电子显微镜、二次离子质谱、原子力显微镜和电子背散射衍射。

在氮掺杂工艺中，铌在800摄氏度的氮气中暴露两分钟，并且在某些情况下，在相同温度下在真空中进一步退火或热处理。在此过程中，表面会形成氮化铌，必须通过化学方法将其去除才能恢复良好的射频性能。

该团队在受控样品上重现了这些过程，然后使用工具包研究了处理后的表面，以了解形貌在整个过程中如何演变。

研究小组发现，这种差异在铌晶界处尤其明显。当用于制造腔体的铌金属被制成锭或片时，形成这些晶界。铌首先被熔化，当它冷却时，就会形成金属的单个晶体。这些单个晶体的边界是肉眼和通过显微镜可见的晶界。

他们在样品中发现，除了在掺杂过程中引入铌表面的有益氮气之外，在退火过程中还形成了大的氮化物化合物晶体并优先在铌的某些晶界处聚集在一起。

“正是铌中的气体发挥了作用。表面的氮化物晶体确实是个坏消息，所以我们必须去除它们，”里斯解释道。

这些氮化物晶体在电解抛光过程中被去除，但留下了它们生长的深三角形凹槽。这些凹槽有效地放大了局部磁场，限制了有用的加速场的“响度”。

“因此，我们怀疑这是由于一种称为奥斯特瓦尔德熟化的过程造成的，在该过程中，氮化物往往会在退火过程中聚集在一起，形成更深的更大的氮化物。然后，在电解抛光过程中，较深的槽会优先受到攻击。所以，你有一个更深和更尖锐的凹槽。深和尖锐是两种对性能不利的表面粗糙度品质。”Lechner澄清道。

过多的电解抛光来去除晶体氮化物并减轻凹槽也可能去除实际上有助于提高性能的有益氮气。

“我们的形貌分析与LCLS-IIHE研发项目中观察到的性能趋势以及具有不同氮掺杂工艺的LCLS-II和LCLS-IIHE的腔体生产性能非常吻合，”Lechner补充道。

该团队强调，铌产生的最大现场性能更高且更平稳。

下一步是什么?

但氮并不是唯一有望提高SRF性能的污染物。

费米实验室的研发表明，使用独特的加热装置在约300°C下对铌腔进行热处理可产生类似于氮掺杂的射频性能。

基于这些结果，日本高能加速器研究组织(KEK)和中国高能物理研究所的研究人员发现，他们通过更简单的过程获得了与氮掺杂相似的效率：他们在远距离烘烤空腔。标准真空炉中的温度较低——大约300至400摄氏度，不添加氮气，然后仅冲洗空腔并跳过电解抛光。

杰斐逊实验室的科学家和其他人对这个前提非常感兴趣，里斯对此过程展开了调查。

他、AriPalczewski、Lechner和当时是弗吉尼亚理工大学研究生的JonathanAngle怀疑氧气是新方法中的主要污染物。他们的研究从实验和理论上量化了这一过程，证实氧气是添加剂。在烘烤过程中，铌的天然氧化物溶解并将氧原子均匀地扩散到其表面。

“所以这是氧掺杂，而不是氮掺杂。它可以通过更简单的过程来完成。这就是我们处理的样品类型之一，”里斯说。

氮掺杂和氧掺杂都几乎相同地提高了效率，但由于氧掺杂更简单且成本更低，Lechner表示，它被认为是未来SRF腔更具吸引力的选择。

莱赫纳说：“形貌分析表明，在掺氧腔中应该可以通过更简单、更便宜的工艺实现更高的峰值场。”

Lechner表示，该实验室正在继续充分利用为本研究开发的分析方法，将其应用于SRF应用中感兴趣的其他材料。

与此同时，该团队继续朝着微调其工具包和模型的目标前进，以了解腔体表面制备的不同方面如何影响加速器性能。本质上，他们正在寻找如何经济地定制加速器腔的顶部1微米厚的表面层，以自信地满足未来应用的性能要求。

里斯说：“这是这里的关键——不仅仅是找到一个恰好有效的配方，而且要了解正在发生的事情，以便我们有足够的知识能够对其进行定制。”“要获得一个你知道会很好的表面——这就是下金蛋的鹅。我们需要可靠的更少的热量和更高的磁场。”

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