金属を混合して性能を向上させる

ジェファーソン研究所のシュレヤス・バラチャンドラン氏がニオブ合金の次世代加速器部品への転換に向けた進歩で表彰される

DOE/トーマス・ジェファーソン国立加速器施設

画像: シュレヤス・バラチャンドラン氏が、極低温材料の知識の進歩において革新性、影響力、国際的評価を実証した40歳未満の個人に毎年贈られるICMC極低温材料賞優秀賞の受賞者に選ばれました。もっと見る

クレジット: DOE のジェファーソン研究室: AIleen Devlin

バージニア州ニューポートニュース – 金属に対する 10 代の熱意が、米国エネルギー省のトーマス ジェファーソン国立加速器施設の超伝導高周波 (SRF) 材料科学者に名誉ある初期キャリア賞を授与することにつながりました。

シュレヤス・バラチャンドラン氏は、極低温材料の知識の進歩において革新性、影響力、国際的評価を実証した40歳未満の個人に毎年贈られるICMC極低温材料賞優秀賞の受賞者に選ばれました。

「自分のやっていることを認められるのは良いことだが、それはあなたを信じてチャンスを与えてくれた人々の証だ」とバラチャンドランさんは語った。 「私はこれまでの道のりを通じて、素晴らしい指導者に恵まれてきました。そしてこの賞は、私が行ってきたすべての仕事に関わったすべての人への表彰だと考えています。」

バラチャンドラン氏の研究はニオブに重点を置いており、ニオブはジェファーソン研究所の強力な連続電子ビーム加速器施設（CEBAF）などの粒子ビーム加速器用の超伝導空洞の製造に使用されている。 CEBAF は DOE 科学局のユーザー施設であり、世界中の 1,850 名を超える核物理学者が研究を行っています。

ニオブ空洞は加速器の骨格を構成します。 それらは一連のクライオモジュールに収容されており、液体ヘリウムによって約2ケルビン、つまり華氏マイナス456度まで過冷却され、通常の抵抗を打ち消し、電子が通過する際に光速近くまで加速し、実験用のビームを供給する。

ニオブは、科学研究や材料発見、医療、環境修復における粒子加速器として重要です。 科学者やエンジニアは、加工を改善したり、チタン、窒素、錫、アルミニウムなどの他の元素と組み合わせたりして、より効率的で耐久性のある超電導合金や構造を作成することで、金属の性能を微調整することに常に取り組んでいます。

バラチャンドラン氏の研究には、次世代超電導線材への応用を目的とした新しいニオブ-タンタル-ハフニウム合金の開発が含まれます。 彼は現在、純粋なニオブよりも高温で超伝導するニオブと錫の化合物であるNb3Snの実験を行っている。これにより、大規模で高価なクライオプラントの必要性がなくなり、いつか高エネルギー加速器の変革をもたらす可能性がある。 Nb3 Sn はニオブよりも脆いですが、粒子加速器空洞を冷却するための大規模で高価な極低温冷凍設備の必要性を排除できる可能性があります。 それは高エネルギー粒子加速器にとって大きな変革となるだろう。

冶金学の探偵

バラチャンドランはインド南部のバンガロールで生まれ育ちました。 彼の金属への興味は高校のコンテスト中に刺激され、冶金学に関する大学レベルの本をむさぼり読むようになりました。 彼はインドの RV 工学大学で機械工学の学士号を取得するまで続け、カレッジステーションにあるテキサス A&M 大学で修士号と博士号を取得しました。 彼の博士論文は「激しい塑性変形とアニーリング後のバルクニオブの微細構造の発達」でした。

DOE からの加速器管理助成金を受けて、2015 年から 2018 年まで、タラハシーにあるフロリダ州立大学国立高磁場研究所 (MagLab) の応用超電導センターで博士研究員としての研究を行いました。彼の研究には、超電導用の高純度ニオブの材料開発が含まれていました。線形加速器用の SRF アプリケーション。

2018 年から 2022 年まで、バラチャンドラン氏はマグラボの客員研究員に加わりました。 そこで彼はニオブ-タンタル-ハフニウム合金を開発しました。これは、平方ミリメートル当たり約 1500 アンペア (4 ケルビン、16 テスラで) を流すことができる高出力研究用磁石用の耐久性のある細線を作ることができます。 これは、平方ミリメートルあたり 1 ～ 5 アンペアの定格で優れた電気伝導体と考えられている銅よりもはるかに優れています。 この合金は現在、米国と日本で市販されています。

バラチャンドラン氏らはまた、スイスのCERNで高輝度大型ハドロン衝突型加速器のアップグレード中に磁石の組み立てによって引き起こされた故障の解剖も実施した。 CERN は、導体の故障、ひいては磁石の故障の原因を独自に検証した後、アップグレードを継続しました。

「私は、なぜ何かが起こっているのかを解明することに興味を持ちやすいのです」とバラチャンドラン氏は言う。 「私たちはまるで、材料がなぜそのような働きをするのかを解明しようとしている探偵のようなものです。」

バラチャンドラン氏は、ニオブの性能を向上させるために、2015 年からジェファーソン研究所と協力してきました。 彼は 2022 年に材料科学者として入社し、新しい加工技術、コーティング、または材料を通じて CEBAF のより効率的な超電導空洞の研究開発を推進しました。

たとえば、ニオブスズで作られたキャビティは、ニオブで作られたキャビティと同様の性能を発揮できますが、その性能は 2 ケルビンではなく 4 ケルビンでした。 この違いにより、高層ビルに収容された巨大なクライオプラントよりも、超電導温度に達するためにクライオクーラーを使用した方が、はるかに少ない床面積で済みます。

「基本的にはシステム全体を管理可能なサイズまで縮小できます」とバラチャンドラン氏は言う。 「そのため、同じエネルギーでビームを生成する、より小型で効率的な機械を使用することができます。それが、この技術全体が目指している方向です。そして、そこに到達するためには、多くのエキサイティングな作業が待っています。」と彼は言いました。

ICMC 極低温材料優秀賞は、7 月 11 日にハワイのホノルルで開催される同グループの年次会議で授与されます。 これには賞金と、バラチャンドラン氏の研究に関するプレゼンテーションへの招待状が付いています。

タマラ・ディートリッヒ著

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Jefferson Science Associates, LLC は、米国エネルギー省科学局のトーマス ジェファーソン国立加速器施設 (ジェファーソン ラボ) を管理、運営しています。 JSA は、Southeastern Universities Research Association, Inc. (SURA) の完全子会社です。

DOE 科学局は、米国における物理科学の基礎研究の最大の支援者であり、現代の最も差し迫った課題のいくつかに対処するために取り組んでいます。 詳細については、https://energy.gov/science をご覧ください。

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