用于粒子加速器束流管应用的新一代轻质三元 Mg--Al--Li 合金的开发

本研究报告了用于高能加速器束流管的先进轻质材料的设计。目标是优化所设计材料对高辐射长度和刚度性能的综合要求。本研究以铝、钛和不锈钢等常规束流管材料作为主要性能基准。这些常规束流管用于同步辐射光源，例如印度的 Indus-1 和 Indus-2、俄罗斯的基于 Nuclotron 的离子对撞机设施（NICA），以及德国的反质子与离子研究设施（FAIR）的环形同步加速器设施 SIS 100/300。在此背景下，系统研究了一系列三元 Mg--Al--Li 合金以提高品质因数。探讨了两种富铝合金，A1（$\mathrm{Al_{61.5}Li_{10.8}Mg_{27.7}}$）和 A2（$\mathrm{Al_{66}Li_{19.4}Mg_{14.6}}$），以及三种富镁合金，M1（$\mathrm{Al_{23.9}Li_{29.3}Mg_{46.8}}$）、M2（$\mathrm{Al_{19}Li_{20.6}Mg_{60.4}}$）和 M3（$\mathrm{Al_{39.8}Li_{20.1}Mg_{40.1}}$）。使用 Thermo-Calc TC-Python 框架内的拉丁超立方抽样评估了热力学稳定性、密度、液相线温度和相。弹性性能由使用 Vienna \textit{Ab Initio} Simulation Package 进行的密度泛函理论计算获得。我们的结果表明，尽管所研究的 Mg-Al-Li 合金的弹性模量（$E$）与常规束流管材料相当，但其显著更高的辐射长度（$X_0$）使得品质因数 $X_0 E^{1/3}$ 得到整体提升。