一位研究生正在研究下一代粒子加速器
研究一个小粒子需要很大的仪器。粒子加速器被物理学家用来研究构成所有物质的基本粒子，通常建在地下，它们的大小通常以英里为单位。
在弗吉尼亚州纽波特纽斯的美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施（通常被称为杰斐逊佳博体育，或简称为JLab）中，有一条这样的赛道延伸不到一英里。随着对基本粒子的认识通过新发现不断进步，科学家们需要更好的粒子加速器。威廉玛丽物理系的研究生马修·伯顿（Matthew Burton）参与了制造更好的加速器的工作。
“我很喜欢物理，”伯顿说。“我想亲自动手，在超导领域有一个项目，有很大的发展空间。”
伯顿正专注于一种名为射频腔的加速器组件。美国能源部授予伯顿一项极具竞争力的科学研究生研究奖，以支持他的论文项目，题为“SRF加速器腔超导薄膜的开发和表征”。
射频腔是甜甜圈形状的超导体，可以加速粒子，使它们能够与目标或其他粒子碰撞，从而将它们分解成更小的组件。伯顿解释说，目前使用的超导RF （SRF）腔是由大块铌制成的，这种金属必须冷却到-257摄氏度才能表现为超导体。JLab的加速器使用338个相连的铌腔，其中大部分沿着杰斐逊佳博体育加速器的两侧延伸，类似于田径跑道的直边。
伯顿解释说，由铌制成的空腔存在一些问题。一方面，铌是一种非常昂贵的金属，而且它的导热能力也存在技术上的缺陷。此外，大块铌SRF空腔已经发展到一个地步，科学家将需要一种新的空腔，提供比大块铌所能提供的性能更好的性能。
为了解决这些问题，伯顿的项目有两个方面：一个是测试使用铌基薄膜覆盖由铜制成的腔的可能性，铜是一种更便宜和更有效的导热体。另一种方法是使用多层薄膜，用其他合适的材料制造更好的空腔。
Ale Lukaszew是William & 玛丽的弗吉尼亚微电子联合会杰出物理学教授，也是Burton的导师和研究顾问。卢卡舍夫解释了改进加速器以保持先进实验技术要求的重要性。
“如果他们在欧洲核子研究中心有我们今天可以制造的高质量腔，那么希格斯玻色子——不久前如此重要的著名的希格斯玻色子——就会在25年前被发现。”Lukaszew说。她解释说，当时欧洲核子研究中心用来进行实验的空腔的能量水平刚刚低于证明希格斯玻色子存在所需的能量水平。
用薄膜衬里空腔的过程提出了几个挑战。Lukaszew解释说，薄膜必须在整个腔体中具有均匀的厚度，并且薄膜还必须具有适当的表面质量。最微小的缺陷都可能使腔体淬灭，即破坏其超导特性，使腔体过热并将多余的热量全部排放到环境中。
“假设你得到了合适的厚度，”Lukaszew说，“在大多数情况下，你得到了合适的表面，但在某些地方你会有一个尖刺，就像你在粉刷房子时出现的小灰尘一样。这将是一个问题，因为这正是事情失败的地方，因为尖峰可以提供磁场固定位置，从而破坏材料的超导特性，导致腔猝灭。”
伯顿解释说，用薄膜衬里空腔的技术已经进行了测试，但主要是用优惠券样品，邮票大小的薄膜片。优惠券样品可以让我们了解，如果整个内部都涂上一层薄膜，空腔将如何表现。伯顿将是第一个尝试用铌薄膜完全衬里的空腔的人，而不是简单地使用券样，使用一种适合改善薄膜的新工艺。
伯顿正在研究一种称为HiPIMS或高脉冲磁控溅射的工艺，以在整个腔内均匀地涂上更致密的薄膜——他说，更像“块状”。
“这是以前从未使用过的。伯顿说：“欧洲核子研究中心使用了直流磁控溅射，这是一种较老的方法，用于他们最初的加速器，效果很好，但由于这种薄膜是多孔的，它的效果不如大量的铌腔。”我们的目标是利用这项新技术来更好地控制薄膜的密度。”
伯顿和其他科学家正在与时间赛跑，试图制造出一种可行的铌薄膜腔。Lukaszew解释说，欧洲核子研究中心已经开始升级他们的粒子加速器。
“如果我们所做的比块状腔更好，他们需要在四年内得到答案，因为那时它们将在欧洲核子研究中心实施。”Lukaszew说。
伯顿工作的第二阶段，利用薄膜来提高大块铌腔的性能，借鉴了老道明大学理论家亚历山大·古列维奇（Alexander Gurevich）的想法，他提出了一个使用多层薄膜来增加大块铌腔加速场的模型。
目前，大块铌腔只能承受一定的功率，否则就会熄灭或失效。为了解决这个问题，Gurevich提出，可以在空腔的内表面涂上含有超导层的多层薄膜，并与绝缘层交替使用，以增加空腔的最佳加速场。
伯顿说：“如果你把每一层都做得足够薄，它的临界场就会比体积值高。”“这是薄膜比大块材料做得更好的一个领域。”
空腔中输入的能量越多，粒子加速的速度就越快。伯顿解释说，交替的薄膜和绝缘层使腔体能够承受更高的加速场。
伯顿说：“他的理论预测，从理论上讲，你可以从这些空腔中获得比现在两倍的最大加速场。”“因此，你可以把加速器的大小缩小到现在的一半。”
改进的加速器腔在粒子物理世界之外有直接的意义。卢卡舍夫已经从美国国防部下属的国防威胁减少局（DTRA）获得了大量资金，用于开发能够建造更小粒子加速器的技术。伯顿解释说，较小的粒子加速器可以安装在港口和类似的战略地点，以检查入境货物是否存在可裂变的核材料。
伯顿说，更高效的多层空腔将使一个足够小的粒子加速器成为可能，可以在港口投入使用，用于这种特殊的应用。
“如果你能得到一个增强腔，从那里你可以得到两倍的加速场，你就可以制造一个适合航运港口的加速器。”你甚至可以在半挂车的后面装一个。”他说。他补充说，他的铌项目的第二个方面将带他进入未知的领域。
伯顿说：“以前人们已经在铜上沉积了，但没有人做过多层方法，所以这将是Gurevich模型在真实空腔上的第一次测试。”