近日，在美國能源部費米國家加速器實驗室伊利諾伊加速器研究中心(IARC)工程師與科學家的帶領下，費米實驗室與歐幾里得技術實驗室(Euclid Techlabs)攜手開展多年項目，成功測試一種新型微導電陶瓷，該材料將應用于粒子加速器關鍵組件——射頻窗口，為提升加速器可靠性與功率帶來新希望。

粒子加速器在科學和工業領域作用顯著，既能推動重大科學發現，又可安全消毒醫療設備、去除水和土壤中的危險化學物質、清除果蔬中的有害生物。然而，即便性能強大的加速器，也可能因薄弱環節出現故障。隨著更高功率、更昂貴的加速器在各領域的應用需求增加，研究人員正致力于提高其可靠性、優化投資回報。

費米實驗室工程師憑借數十年設計、建造和操作超導射頻加速器的經驗，致力于為更廣泛的科學和工業用途提供功率更高、可靠性更強的機器。IARC 承擔著推動超導射頻技術商業化的使命，此次與專注于該技術及材料研究的歐幾里得技術實驗室展開合作。

研究團隊聚焦加速器關鍵部件射頻窗口，開展新型微導電陶瓷測試。射頻窗口是功率耦合器的一部分，耦合器負責將射頻能量從外部電源傳輸至加速器腔體，進而使粒子加速。射頻耦合器兩側環境不同，一側連接真空密封的加速器腔體，另一側暴露在大氣壓力下，陶瓷射頻窗口則起到隔離兩個環境的作用。

費米實驗室 IARC 參與工業級 SRF 開發的工程師克里斯·愛德華茲(Chris Edwards)形象地比喻道：“它就像家里的窗戶，能透光卻能阻擋冷空氣進入。在加速器中，射頻窗口允許功率通過，卻能阻止大氣泄漏到真空側，哪怕微小泄漏都可能導致加速器損壞或無法運行。”

SRF加速器的橫截面圖顯示，新的射頻窗口(右側)是耦合器的一部分，用于接收來自電源的射頻功率。射頻窗口充當正常氣壓和真空氣壓之間的屏障，防止功率泄漏，并提高加速器的可靠性。圖片來源：Josh Helsper，費米實驗室

由于射頻能量無法穿透金屬，射頻窗口必須由陶瓷制成，并通過釬焊與內外金屬導體連接。陶瓷雖能允許高能射頻功率通過，但作為絕緣體不導電，會導致電子等帶電粒子在其表面積聚，引發電擊穿，最終損壞窗口。隨著加速器功率不斷提高，陶瓷受損風險增大，因此配備更可靠的陶瓷窗口十分必要。

針對這一問題，歐幾里得技術實驗室利用自身在陶瓷材料和制造工藝方面的專業優勢，開發出使陶瓷具有微導電性的技術。這種新型導電陶瓷既能去除陶瓷表面和體內積聚的電荷，又能保持較低的射頻能量損耗，滿足應用需求，并為費米實驗室團隊提供了采用該新型陶瓷制成的功率耦合器。

歐幾里得技術實驗室的科學家本·弗里米爾(Ben Freemire)表示：“這種新型導電陶瓷性能不遜于甚至優于傳統氧化鋁陶瓷窗，還能避免與充電相關的問題。”

費米實驗室在其設施內對原型進行了測試，成果令人鼓舞。參與項目的費米實驗室工程物理學家謝爾蓋·卡扎科夫(Sergey Kazakov)稱：“結果非常好，耦合器測試達到了 80 千瓦的全反射功率，功率受限因素是測試設備，而非耦合器本身。通過聚焦 SRF 加速器中風險較高的部件之一，我們生產并測試出更可靠的陶瓷，有助于加速器持續運行，降低部件損壞風險。”

據費米實驗室 IARC 工程師兼項目負責人 Josh Helsper 介紹，下一步計劃進一步改進射頻窗口，使其最終應用于實際 SRF 加速器。這需要將陶瓷牢固連接到銅套管上，初期原型采用焊接工藝，但實際加速器應用需采用釬焊工藝，該工藝能將金屬接頭表面和填充金屬加熱至更高溫度，形成更牢固連接，且可連接不同金屬，還能使銅與加速器中常用的更堅固材料(如金銅或銀銅混合物)熔合。

射頻窗口原型由導電陶瓷和銅套組成。照片：Chris Edwards

釬焊這些部件需特殊設施和設備，溫度需達到約 1832 華氏度(1000 攝氏度)，且在真空中進行以防止氧化。歐幾里得技術實驗室已測試新型釬焊導電陶瓷的電導率和功率泄漏率，結果顯示其滿足 SRF 加速器要求。

如今，新型陶瓷材料和釬焊工藝測試成功，費米實驗室團隊將尋求功率耦合器制造商，以標準化釬焊陶瓷射頻窗口的生產。

愛德華茲表示：“這項工作對推進工業級 SRF 技術至關重要，是費米實驗室前沿工作的一部分，為未來加速器發展奠定了良好基礎。”