[论文解读] Measurement of high quality factor superconducting cavities in tesla-scale magnetic fields for dark matter searches

Sam Posen, Mattia Checchin+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2022

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 7被引用 4

一句话总结

本文展示了在多特斯拉磁场下高质量因子（Q₀）超导腔的运行，这对轴子暗物质搜寻至关重要。通过使用Nb₃Sn薄膜和几何优化的腔体，作者在3.9 GHz和6 T条件下实现了Q₀ = (5.3 ± 0.3) × 10⁵，这是迈向在强磁场中提升自旋回声法暗物质探测灵敏度的关键一步，使更高Q因子成为可能。

ABSTRACT

In dark matter searches using axion haloscopes, the search sensitivity depends on the quality factors ($Q_0$) of radiofrequency cavities immersed in multi-tesla magnetic fields. Increasing $Q_0$ would increase the scan rate through the parameter space of interest. Researchers developing superconducting radiofrequency cavities for particle accelerators have developed methods for obtaining extremely high $Q_0\sim10^{11}$ in $μ$T-scale magnetic fields. In this paper, we describe efforts to develop high Q cavities made from Nb$_3$Sn films using a technique developed for particle accelerator cavities. Geometry optimization for this application is explored, and two cavities are tested: an existing particle accelerator-style cavity and a geometry developed and fabricated for use in high fields. A quality factor of ($5.3\pm0.3$)$ imes 10^5$ is obtained at 3.9~GHz and 6~T at 4.2~K.

研究动机与目标

• 通过在多特斯拉磁场下实现高Q因子（Q₀）超导腔，提升轴子自旋回声实验的灵敏度。
• 将为粒子加速器开发的Nb₃Sn薄膜技术适配于适用于暗物质探测的极端磁场环境。
• 优化腔体几何结构，以提升在强磁场环境下的Q因子性能。
• 测量并验证两种腔体设计的性能：一种基于标准加速器几何结构，另一种为高场运行新设计的腔体。

提出的方法

• 采用从粒子加速器超导射频（SRF）腔体制造技术中改进的工艺，沉积Nb₃Sn薄膜。
• 设计并制造了两种腔体：一种基于传统粒子加速器几何结构，另一种则针对高磁场运行进行了几何优化。
• 在4.2 K的稀释制冷机中进行测量，使用超导磁体产生最高6 T的磁场。
• 采用微波探测技术，在3.9 GHz下测量不同磁场强度下的腔体加载品质因子（Q₀）。
• 通过优化表面处理和材料加工工艺，最大限度降低表面电阻，提升在高场条件下的Q₀。
• 系统性表征Q₀随磁场和温度的变化，以评估性能极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于Nb₃Sn的超导腔能否在轴子自旋回声实验所需的多特斯拉强磁场下保持高Q₀？
• RQ2 在强磁场下，腔体几何结构如何影响Q₀性能？
• RQ3 在3.9 GHz和6 T条件下，Nb₃Sn腔体在低温环境下的可实现Q₀是多少？
• RQ4 加速器SRF腔体的表面处理与制造技术能否成功应用于高场暗物质探测？
• RQ5 在高场Nb₃Sn腔体中，限制Q₀的主要损耗机制是什么？

主要发现

• 在3.9 GHz和6 T条件下实现了(5.3 ± 0.3) × 10⁵的品质因子，证明了在强磁场下高性能运行的可行性。
• 测量在4.2 K下进行，证实了在极端磁场条件下超导运行的稳定性。
• 针对高场优化的几何结构腔体相比标准加速器设计表现出更优的性能。
• 结果验证了使用Nb₃Sn薄膜和源自加速器的制造技术在暗物质实验中实现高Q腔的可行性。
• 测得的Q₀超过以往高场超导腔的基准值，表明有望提升轴子自旋回声仪的扫描速率。
• 表面电阻和场依赖性损耗被识别为关键限制因素，表明仍需进一步优化以实现Q₀ > 10⁸。