Новые горизонты в SRF: за пределами HL

Инновации в сверхпроводниковых радиочастотных (SRF) технологиях и их применениях имеют основополагающее значение для успеха проекта High-Luminosity LHC (HL-LHC) и последующих коллайдеров частиц следующего поколения. Фрэнк Геригк, руководитель группы радиочастот ЦЕРН, оценивает прогресс в реализации дорожной карты исследований и разработок SRF, а также строгие требования к изготовлению и производительности, которые уже появляются.

Приверженность CERN сверхпроводящим радиочастотным (SRF) технологиям имеет давнюю историю: она охватывает более четырех десятилетий устойчивых инвестиций в инфраструктуру, прикладные исследования и разработки, инновации на уровне устройств и систем, а также международное сотрудничество с академическими и отраслевыми партнерами. Но если это заголовок, то что будет дальше с программой CERN SRF?

На этом этапе поучительно подвести итоги достижений CERN в области SRF, прежде чем приступить к рассмотрению долгосрочной дорожной карты исследований, разработок и инноваций. Во-первых, SRF-резонаторы – рабочая лошадка для передовых ускорителей в физике элементарных частиц, ядерной физике и материаловедении – сыграли важную роль в переводе Большого электрон-позитронного коллайдера ЦЕРН (LEP) на новые энергетические режимы. В конце 1990-х годов в LEP-II было установлено в общей сложности 288 резонаторов SRF, каждый из которых содержал тонкую пленку сверхпроводящего ниобия, напыленную на медный резонатор, что обеспечило ускоряющий градиент до 7 МВ/м и позволило машине в конечном итоге достичь энергия центра масс 209 ГэВ (против 91 ГэВ у исходной машины LEP). В начале тысячелетия LEP-II была самой мощной установкой SRF в мире.

Перенесемся в 2010 год, когда появился проект HIE-ISOLDE, «высокоинтенсивная и энергетическая» модернизация установки радиоактивных лучей ЦЕРН, которая открыла возможность дальнейших инвестиций в программу SRF. С практической точки зрения цель HIE-ISOLDE заключалась в увеличении энергии радионуклидных пучков ISOLDE с 3 МэВ/н до 10 МэВ/н за счет строительства сверхпроводящего пост-ускорителя, что, в свою очередь, потребовало проектирования, обработки и испытаний объемных ниобиевые SRF-резонаторы, а также улучшенные характеристики покрытия для тонкопленочных ниобий-медных SRF-резонаторов.

Инженеры ЦЕРН должным образом разработали полный прототип четвертьволнового резонатора с покрытием на частоте 100 МГц для HIE-ISOLDE, прежде чем внедрить эту технологию в промышленность. Однако впоследствии некоторые из переданных на аутсорсинг полостей продемонстрировали ограничения производительности, связанные со сварным швом в области полости с высокими поверхностными токами. Чтобы решить эту проблему, радиочастотная группа CERN предложила инновационный обходной путь, который оказался решающим в расширении диапазона производительности тонкопленочных SRF-резонаторов.

Проще говоря, полость HIE-ISOLDE была переработана таким образом, чтобы ее можно было выточить из цельного куска меди без сварных швов. После покрытия ниобием и последующих испытаний в 2017 году новый резонатор продемонстрировал беспрецедентные пиковые поля на поверхности более 60 МВ/м и значение Q 109 при 2,3 К. Эти показатели значительно превышают квалификационный целевой показатель примерно в 30 МВ. /m (Q = 5 × 108) – дал четкое направление для дальнейших исследований и разработок тонкопленочных резонаторов на бесшовных медных подложках с четырьмя криомодулями (каждый из которых содержит пять резонаторов SRF), которые позже были установлены в рамках модернизации HIE-ISOLDE. Примечательно, что это был также первый случай, когда «производственная» полость с использованием тонкопленочного ниобия на меди дала результаты, сопоставимые с полостями из объемного ниобия, характеристики которых быстро улучшились за предыдущее десятилетие в результате коллективных усилий в области исследований и разработок. ориентирован на Международный линейный коллайдер (ILC).

В настоящее время в центре дорожной карты технологии SRF находится проект HL-LHC, амбициозная задача увеличить интегральную светимость в 10 раз по сравнению с проектной ценностью LHC и тем самым открыть новые возможности для фундаментальных исследований. физика с 2030 года. После ввода в эксплуатацию HL-LHC будет использовать сверхпроводящие «крабовые полости» из объемного ниобия для оптимизации пересечения сгустков в точках взаимодействия частиц, тем самым увеличивая и «выравнивая» светимость протон-протонных столкновений. Это достигается путем небольшого поворота сгустков частиц перед столкновением, а затем возвращения их в исходную ориентацию после взаимодействия (см. «Созданные столкновения»).