[发明专利]射频超导腔用单晶粒铌材制造方法

说明书

技术领域

本发明属于射频超导技术元件的制造方法，特别是一种射频超导腔用单晶粒铌材制造方法。

背景技术

高能粒子加速器利用高功率微波（射频）在谐振腔中建立高强度的电场对带电粒子进行加速。射频超导加速器的谐振腔由达到一定特殊要求的高纯度金属铌制成，在低温下运行。

超导加速器由一系列加速组元组成。超导加速组元包括超导加速腔、提供超导加速腔工作所需要的低温环境的恒温器，微波功率耦合器，有害杂波消除器（高阶模耦合器）及相应的测量与控制设备等。

射频超导加速器与普通室温直线加速器相比具有以下优势：

（1）功率损耗极低，并且可以实现高效率能量回收。

（2）可以在长脉冲（毫秒级）、甚至连续模式下运行，因而平均功率高，而普通加速器只能以窄脉冲方式工作，平均功率要低得多。

（3）超导加速器可采用较大的束流孔径，适于加速高流强的粒子束。

（4）稳定性好。

另外，对于加速器上最花钱的部件——射频微波功率源而言，超导加速器所需的规模要比普通加速器小得多，运行时即使考虑低温液氦的消耗，超导加速器总的运行费用也只为室温的1/3左右；如果再加上最近发展的能量回收技术，其功耗还会降低。  

金属铌冷却到-264℃（这种温度只在外部空间才有）后，便失去所有电阻，导电时不损耗任何能量。这种特性称为“超导”。金属铌具有很好的超导性和热传导性，其纯度越高，则热传导性能越好。因此铌是用来制作超导加速谐振腔的最好金属。目前高纯铌在低温超导直线加速对撞机的制造中得到广泛的应用。为保证射频超导加速器的以上优势，加速器的超导腔必须用铌材制作，到目前为止还没有其它替代材料。

超导腔是超导加速器的核心部件。超导腔是射频谐振腔，用于加速器上的超导腔可以称其为射频超导加速腔，简称超导腔。其结构如图1所示。一台超导加速器是由大量的超导腔串联组成，一台性能优异的超导加速器与射频超导腔的加速性能相关。制造高性能的超导腔，其关键的指标是：超导腔内的谐振电场强度Eacc和腔的品质因数Q。Eacc越高，加速效率越高，从而可以缩短加速器长度，降低造价。Q越高，表明在相同条件下，超导腔腔壁热损耗越低。超导腔目前基本都由纯铌或铌薄膜制成。20多年来，国际上一直采用均匀的、晶粒度6级以上的铌材加工制造超导腔，并制定了标准。经过这些年的不断努力，纯铌超导腔的品质因数和加速梯度获得了极大的提高，例如，1.5GHz纯铌超导腔的加速梯度由较早的6－7MV/m，提高到目前的20MV/m左右。目前超导加速器研究的热点还是如何提高超导腔的加速性能。目前单晶粒铌材开始用于超导腔的制作，其超导腔的性能比传统铌材制作的超导腔性能具有很大的优势，加速梯度提高到了30MV/m左右。

传统用于制造超导腔的铌材加工工艺过程是将大晶粒铌锭先开坯、退火等工艺制成小晶粒铌板，经电化学抛光等步骤制成，不属于单晶铌板，超导性能很难进一步提升。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术缺陷，提供一种射频超导腔用单晶粒铌材的制造方法。

本发明的目的按照下述方案实现：

一种射频超导腔用单晶粒铌材制造方法，是以高熔点金属铌为原料精炼提纯，制备出晶粒尺寸Φ100mm以上，残余电阻比率RRR值300以上的铌锭，然后切出单个晶粒，采用碾压的方式轧制，再经热处理制备成单晶铌板或片；

上述精炼提纯是采用真空电子束对高熔点金属铌进行多次熔炼提纯，生产出Φ250mm以上的铸锭，其最大晶粒直径为100mm以上，且铸锭的残余电阻比率RRR值在300以上；

上述切割出的单个晶粒是直径为100mm以上、厚度为15－30mm的单晶铌块，并对单晶铌块进行表面清洗处理；   

上述轧制是指在轧机上交叉碾压单晶铌块，将其碾压到厚度为3－4mm的铌板；再把铌板加工成Ф266－495mm，厚度为3－3.5mm的铌片，再进行酸洗处理；

上述热处理是对铌片进行消除应力退火，退火温度600－900℃。

本发明采用大晶粒铌锭（晶粒尺寸约100mm以上）上切取的单晶铌块，经过碾压，加工成Ф266－495mm，厚度为3－3.5mm的铌片，再经过消除应力处理、表面车加工处理，化学处理等过程，使其厚度达到2.8－3mm的铌片。此铌片基本消除了晶界线，消除了晶界杂质对超导表面性能的影响。从射频超导原理上讲，它的超导性能要优于传统的小晶粒度（6级以上）铌板。

本发明具有以下特点和效果：