费米国家加速器实验室杰尔德·平森 为了产生中微子，一束粒子撞击到一个包含在一个小室中的目标上
光束通过高弹性的金属窗口(位于腔室前部的暗圆盘)进入和离开腔室(在载体框架上可以看到)，金属窗口必须能够承受高强度光束的撞击
费米实验室的研究人员目前正在测试这些窗户的钛合金，为即将到来的光束强度增加做准备，这是PIP-II计划的一部分
信用:迈克·斯蒂曼 在21世纪20年代末，费米实验室将开始通过地壳向南达科他州的探测器发送世界上最强的中微子束，用于国际深层地下中微子实验
当新的PIP-II粒子加速器上线时，一束强质子将以接近光速的速度穿过一系列地下加速器组件，然后穿过金属窗口，与静止目标碰撞产生中微子。
研究人员打算用钛合金建造窗户，并正在测试暴露在质子束下的样品的疲劳耐久性，以了解它们在新的加速器复合体中的表现如何
正中目标 当费米实验室的科学家开始为沙丘制造中微子时，他们必须非常精确
PIP-II加速器将使用超导结构和强大的磁体来加速微秒级的质子快速爆发，这些质子被聚焦并导向正确的方向，瞄准南达科他州的沙丘探测器，然后撞击费米实验室场地上产生中微子的目标。
目标——由大约1
全长5米，在一个装满氦气的容器中与加速器的其余部分分开，以帮助降低温度
质子以最大能量运行，通过一个窗口进入容器，然后击中靶心，产生一连串快速衰变的π介子——短寿命的亚原子粒子——通过后面的第二个窗口离开
在不到一秒钟的时间里，π介子不仅会衰变为中微子，而且这些中微子——几乎没有质量，以接近光速的速度行进——将到达南达科他州的目的地，行程800英里
设计目标阵列并不是一件容易的事情，尤其是对windows而言
它们需要有耐力来承受高功率质子束和超过200摄氏度的温度，同时保持足够的结构完整性来抵抗窗户上的压差
不仅如此，它们还需要做得尽可能薄，以尽量减少与质子束的相互作用
由于这些极端条件，加速器窗口不是由玻璃而是由金属制成的
虽然金属窗户不会让太多的光线进入你的家，但它们不会对粒子束构成太大的障碍
原子大部分是由空白空间组成的，高能质子穿过窗口原子之间的空隙，相互作用相对较小
然而，穿过窗口的光束能量很高，并且从窗口中的原子核反弹回来的小部分质子以热和振动波的形式储存能量，这带来了材料破裂的风险，并且是工程师和物理学家关注的主要问题
费米实验室博士后研究助理苏吉特·比哈尔说:“这些窗口必须能够承受光束相互作用产生的热量。”
所有这些加热和冷却导致光束窗口迅速收缩和膨胀
“目标物质在10微秒内膨胀，”比哈尔说
“但是周围的物质没有膨胀，因为它没有直接与光束相互作用
这就产生了一种锤击效应，我们称之为应力波
" 钛合金的小样品在布鲁克海文国家实验室接受强质子束照射，之后在费米实验室进行应力疲劳测试
信用:Sujit Bidhar 材料内部的波浪类似于一个人在游泳池中游泳；在水中移动会产生类似的波浪，这些波浪会扩散到边缘并反弹回它们的原点
如果游泳者通过向水中投掷炮弹来增加额外的能量，波浪的振幅会增加，并可能溢出水面
然而，由于加速器中的目标窗口是实心的，随着时间的推移，穿过它们的强波通过一种叫做疲劳的过程削弱了材料，并且感应的应力最终将导致阵列破裂，而不是能够溅到池的侧面
这不是如果的问题，而是什么时候的问题
预测下一个重大突破 物理学家有一个既得利益，那就是确切地知道每个加速器组件可以持续多长时间
意外的设备故障会导致长时间的延误和挫折
许多粒子加速器使用铍制成的靶窗，铍是一种罕见的轻质金属，由于其卓越的耐用性，迄今为止显示出最佳效果
但是物理学家和工程师一直在寻找创新的方法，那些为沙丘开发目标窗口的人正在研究钛合金，钛合金可能具有比铍合金更好的性能
“钛具有很高的比强度以及很高的抗疲劳应力和腐蚀能力，”费米实验室的高级工程师凯文·阿米根说
“我们正在测试，看看当钛暴露在质子束中时，这些关键特性会发生怎样的变化
" 钛合金已经在日本质子加速器研究中心——日本PARC——使用了十多年，并取得了可喜的成果
随着费米实验室的PIP-II升级，实验室加速器复合体将加速比目前高得多的强度束
为了预测费米实验室的钛窗将持续多长时间，研究人员需要使用类似的光束能量测试样品
由PARC研究人员提供的钛疲劳样品被送到费米实验室，在那里测试它们的机械性能
在八周的时间里，这些样品在布鲁克海文国家实验室被强质子束撞击，之后它们被送回费米实验室进行另一轮测试，以确定合金的性质是如何随着时间的推移发生变化和退化的
通过质子束轰击前后的测试，研究人员可以大致预测升级后的加速器中钛制成的窗口可以持续多长时间
该项目产生的数据不仅对费米实验室和PIP-II升级有用，而且对其他机构和未来的加速器也有用
例如，J-PARC加速器设施计划增加其粒子束的强度，并将能够利用当前研究的结果来预测钛靶窗口的寿命
有了这些信息，费米实验室的研究人员将能够主动管理他们的束流设备
钛窗将在预期寿命结束前被拆除，换成新的、不褪色的窗户
阿米根、比达尔和费米实验室的同事已经完成了第一批钛合金样品的测量，并计划在几个月后完成第二批，之后他们计划公布他们的结果
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