首个3D打印超导微波谐振腔问世,或将服务于前沿领域的科学仪器

一直以来,科学家的注意力都集中在3D打印材料的机械特性上,现在他们想要在电特性上做些花样。澳大利亚墨尔本大学的丹尼尔·克里顿(Daniel Creedon)和其他几位研究人员设计、打印并测试完成了世界上首个3D打印超导微波谐振腔。科学家们称他们为更廉价更优质的超导原件的量产铺平了道路。

首个3D打印超导微波谐振腔问世,或将服务于前沿领域的科学仪器

3D打印金属零件将会给许多工业领域带来一场革命。例如,航母不再需要携带轮机配件、武器配件和搭载战机的配件,每个配件都能在航母上打印出来。

很多人担心3D打印部件的机械性能不及传统工艺生产出来的部件那么好,特别是像喷气发动机组件这样需要在苛刻环境下工作的部件。

材料科学家已经花费大量精力来研究3D打印部件的机械性能。3D打印技术目前已经用于生产医用定制人工骨组织、喷气发动机轴承和汽车工业的原型车。

3D打印部件的机械性能是研究的热点,然而,部件的电特性目前尚缺乏足够的研究。

首个3D打印超导微波谐振腔问世,或将服务于前沿领域的科学仪器

澳大利亚墨尔本大学的丹尼尔·克里顿(Daniel Creedon)和其他几位研究人员设计、打印并测试完成了世界上首个3D打印超导微波谐振腔。他们称,他们为更廉价更优质的超导原件的量产铺平了道路。

目前很多服务于前沿领域的科学仪器需要以超导微波谐振腔为核心部件,它能以谐振的方式储存微波能量。工程上,要求微波谐振腔的能量损耗越小越好。

微波谐振腔是微波工程领域的基础器件。二十世纪三十年代中期,微波谐振腔作为雷达技术的组成部分开始萌芽。尽管起初日本和德国略微领先,然而,1940年,英国发明了基于微波谐振腔的多腔磁控管,革命性地提高了雷达的性能,而此时多腔磁控管工作的物理机理甚至尚不明确。二战期间,多腔磁控管确保了同盟国雷达性能的决定性优势。今天,微波谐振腔服务于诸多技术领域:例如:加速粒子加速器中的带电粒子;以超高灵敏度探测震动;保证原子钟输出的时钟频率的稳定性;测量微波波长;当然,还有服务于千家万户的微波炉。

首个3D打印超导微波谐振腔问世,或将服务于前沿领域的科学仪器

在腔体内,微波会接触腔体表面材料的电子,因此腔体材料的电阻直接决定了微波腔体的性能。腔体材料的理想电阻是零,即超导状态。

制造超导微波谐振腔的成本很高。3D打印有望显著降低成本,提高生产速度——但是3D打印是否会破坏材料的超导特性?在克里顿之前没人知道。

为了研究3D打印对材料超导特性的影响,克里顿团队打印了2个内壁形状复杂的谐振腔:他们选择性熔化铝粉以生成特定形状,然后继续不断熔化铝粉,让熔融金属附着并成形在之前生成的毛坯上,如此这般直到完成。

这个过程既快又便宜,但是有几个潜在的问题。

首个3D打印超导微波谐振腔问世,或将服务于前沿领域的科学仪器

首先,3D打印出来的腔体表面比较粗糙。其次,用于3D打印的铝粉和标准工业铝粉Al-6061的组分并不一样。3D打印铝粉中有占12%质量的硅粉,而标准工业铝粉中,硅粉只占0.8%的质量。3D打印铝粉包含0.118%的铁和0.003%的铜,而工业铝粉包含0.7%的铁、0.15%的铜和1.2%的镁。

之前没人知道表面粗糙度以及3D铝粉和工业铝粉的成分差异会导致什么结果。

克里顿团队决心回答这个问题。令他们吃惊的是,材料成分的差异并没有影响最终3D打印出来的微波谐振腔的超导特性。

根据克里顿团队的报道,该谐振腔在零下271.8℃进入超导状态,与理论预期一致,并且电特性与使用Al-6061工业铝粉制造的产品高度相似。“3D打印微波谐振腔的性能完全可以比拟使用Al-6061工业铝粉生产的产品,并且3D打印导致的腔体内表面粗糙度增加没有影响最终性能。”

首个3D打印超导微波谐振腔问世,或将服务于前沿领域的科学仪器

此外,他们抛光了其中一个3D打印腔体的内壁,将该腔体加到500℃,再自然冷却至室温。该过程使得作为杂质的硅原子被挤出材料结构。“500℃下的4小时退火处理成功将作为杂质的硅原子排除,腔体的Q值(微波能量损耗越低,Q值越高)提高了1倍。”

该研究的具有显著的潜在后继研究价值。一个可能的研究方向是在3D打印中使用更纯的铝粉,克里顿团队称,这应该可以制造出质量更高的谐振腔。另外一个方向是制造用传统制造方法无法生产的谐振腔腔体,获得之前工程上无法实现的性能。

该研究开辟了用3D打印技术生产超导微波器件的新纪元。

翻译:离子心

来源:DeepTech深科技(微信号:mit-tr)

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