基于铌的超导设备可能导致更小、更高效的线性对撞机

在1954年对美国物理学会的一次演讲中芝加哥大学恩里科·费米幻想着一个环绕地球的粒子加速器。费米推测，这将是探索更强大的加速器以发现新的物理定律的最终理论结果。

芝加哥大学卡尔·威廉·艾森德拉斯化学教授和詹姆斯·弗兰克研究所的史蒂芬·西伯纳说:“你每米能给一个粒子注入多少能量，直接对应着机器的大小。”这意味着，未来的加速器要么必须以巨大的代价增长到难以想象的尺寸，要么必须以某种方式向每米加速度的每个粒子注入远高于现代技术允许的能量。

西伯纳和费米国家加速器实验室86届AB的兰斯·库利正在研究后一种方案，美国能源部提供了150万美元的资金。他们的目标是在下一代高能物理实验中提高由铌制成的超导射频(SRF)腔的效率，以加速亚原子粒子束。欧洲杯猜球平台

其结果可能是一种足够强大的加速器，可以在不需要大幅增大体积的情况下，打开物理学的新领域。

这方面努力的关键是铌，这是一种金属元素，在非常低的温度下可以成为超导材料。事实上，铌的超导特性在所有元素中是最好的，它携带的电流是普通导体铜的数千倍。当高纯度时，铌也能有效地将缺陷和缺陷产生的任何热量转移到低温冷却剂中。因此，铌SRF空腔将构成未来粒子加速器的核心，包括拟议的国际线性对撞机。

让对撞机技术

费米实验室SRF材料小组负责人Cooley说:“铌超导腔为线性对撞机提供了高功率、高能或高强度的技术。”欧洲杯足球竞彩Cooley将铌冷却到2开尔文(零下455.8华氏度)，以最大限度地发挥其超导特性。他说:“我们使用超导体是因为它是无摩擦的电力，这就节省了运行时的电源。”

20世纪80年代，库利在芝加哥大学读本科时，为他的高级项目在托马斯·罗森鲍姆(Thomas Rosenbaum)的实验室进行了研究。罗森鲍姆是教务长，也是约翰·t·威尔逊杰出服务物理学教授。就在那时，库利开始对超导感兴趣。他对费米实验室及其加速器的兴趣是由芝加哥大学的另一位教授、诺贝尔奖获得者詹姆斯·克罗宁(James Cronin)激发的。库利于2007年来到费米实验室，不久之后，在同事的推荐下，他与西宾纳见面，讨论了铌表面化学。

将粒子束

铌在下一轮线性对撞机的计划中占据了更重要的地位。环对撞机的一代,包括费米实验室的万亿电子伏和欧洲大型强子对撞机的新操作,使用成千上万的niobium-titanium超导磁铁引导和集中的带电粒子束,在伟大的旅行循环被带领到碰撞之前,可以揭示物质的基本属性。欧洲杯猜球平台空腔是这些机器的一小部分，每次粒子绕环运行时都为它们提供一个瞬间的推力。欧洲杯猜球平台

但是线性对撞机，包括斯坦福大学目前的线性加速器，费米实验室提出的X项目，以及提出的ILC，将数千个空腔串成一条长线。由此产生的线性加速器会产生一个巨大的电场，将粒子束一次性推向它们的碰撞方向，而不需要操纵和再循环它们。

铌SRF腔技术在过去20年的出现使得每个谐振腔都可以利用超导性通过低功率输入产生高功率输出，估计比斯坦福的铜腔的质量因数增益为100,000。但该体系的许多方面还不是最佳的。

库利说，铌是根据实验室配方加工的，这可能得益于材料科学的坚实基础。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球库利说:“如何精确地遵循一个给定的配方取决于实验室文化，个体操作者对细节的关注，基于被认为重要的事情来安排任务，等等。”“不同处理步骤的真正影响才刚刚开始显现，因为像史蒂夫这样的大学科学家介入并产生了基本的理解。”

西本纳实验室的显微镜使研究人员能够观察单个原子的行为。通过早期的种子拨款，Sibener的团队发现铌与氧的反应产生了各种表面氧化物和缺陷，这为Cooley和其他人对现实世界SRF空洞中观察到的变化提供了解释。

“事实上，这是你能在世界上找到的一些最纯净的铌，”西伯纳说，他在戈登综合科学中心的办公室里展示了一块类似镜子的材料晶片。欧洲杯线上买球他的研究小组将仔细研究这种材料，以确定在极端条件下，铌晶体表面的氧化物和缺陷会导致超导性的丧失。

“如果费米实验室和芝加哥大学的合作成功，”Cooley说，“它将允许以极大的成本节省建造新型加速器。”