[发明专利]带有激光焊缝的超导共振腔及其形成方法

说明书

本发明披露了一种超导射频单元。该超导射频单元包括限定中空的腔的主体，该主体有第一阑孔和第二阑孔、轴线以及赤道，第一阑孔和第二阑孔位于主体的相反端，轴线在第一阑孔和第二阑孔之间延伸，并且赤道在第一阑孔和第二阑孔之间围绕轴线。主体包括至少第一焊缝，至少第一焊缝于主体上的与赤道间隔开的位置处围绕轴线。焊缝中的每一个延伸穿过主体并且具有终止于靠近主体的内侧和外侧的相反两侧，并且焊缝中的每一个包括形成在焊缝的一侧的第一传导焊接部和形成在焊缝的相反侧的第二焊接部。第二焊接部可以是传导焊接部、穿孔焊接部或过渡焊接部。

技术领域

本发明涉及超导射频(SRF)单元(cells)、制造SRF单元的方法、可以与SRF单元或其它物体一起使用的焊缝以及形成焊缝的方法。

背景技术

RF腔用于使带电粒子群朝向目标加速。对于许多应用来说，使用具有超导内表面的腔的好处远超将腔冷却到低温温度所带来的增加的成本。腔通过品质因数(qualityfactor)和加速度梯度来评价。品质因数(Q₀)给出了系统的每个循环中能量损失量的倒数。高品质因数通过要求更低的低温冷却来降低运行成本。腔的加速度梯度描述了其加速粒子的能力。超导RF(SRF)腔的加速度梯度通常给定为百万伏特/米。更高的梯度需要更少的腔以在相同的加速场运行系统，从而降低了启动和运行成本。但是，更高的梯度需要更高的内部场，从而造成超导内表面的性能极限。

SRF腔受到导致超导场被破坏(breakdown)的任何因素的限制。通常，这种超导状态的转变被称为“失超(quench)”。沿着腔内侧的高电压可以使得电子从表面发射，产生X射线并加热腔。这通常称为场发射。腔的赤道(equator)周围的高强度磁场可达到超过用于形成腔或腔的内侧涂层的铌的临界磁场的水平。超过铌的临界磁场会破坏超导状态并引起失超。此外，表面的变化会增加腔的表面暴露其中的磁场量，导致过早失超。由于这些变化导致的腔所经历的磁通量的增加被称为场增强。

对于给定腔中的最大品质因数和加速度梯度，腔的内表面在理想情况下为光滑、清洁和不间断的。即使表面中的微观污染物也会通过将非超导相暴露于高RF场而破坏超导状态。杂质因其对电场的集中的原因而可用作场发射点。高磁场区域中的表面粗糙部可导致局部磁场增强到超过铌临界值的水平，这可导致超导状态的破坏。高电场区域中的表面粗糙部可导致场发射、表面加热并且导致超导状态的破坏。

SRF腔制造领域的发展已经在很大程度上消除了由于污染物和场发射导致的腔故障。Q₀和加速度梯度的限制的主要原因是在腔的赤道处超过临界磁场。临界磁场是腔开始从其超导状态转变的场。

迄今为止，腔的设计是沿着腔的“赤道”布置最大的磁场，其中形成腔的第一半单元和第二半单元通过焊缝接合在一起，这有时被称为“赤道焊缝”。腔的形状还可以调节以优化不同的性能特征。

用于SRF腔的铌的焊接目前是“盲(blind)”工序，在该工序中沿着赤道的焊接在真空中完成，其中电子束围绕单元赤道的外部振荡。虽然这个工序经过充分地研究和控制，但是仍然会产生不一致的结果。表面的后处理限于在焊缝的化学蚀刻之前的“棒上研磨机(grinder-on-a-stick)”和“棒上相机(camera-on-a-stick)”检测。

参考图15，在一个优选且非限制性的实施例或实例中，单个超导射频(SRF)腔2有时包括多个串联连接的超导单元4。图15中所示的SRF腔2的实例包括在输入端6和输出端8之间串联连接的九个单元4。在一个实例中，输入端6构造为联接到RF能量的源，RF能量在SRF腔2中产生驻波，该驻波可以用于使来自输入端6的粒子加速通过腔2并且离开输出端8，该输出端8可以连接到另一个SRF腔(未示出)。在实例中，RF能量经由在输入端6处联接到SRF腔2的RF输入端口7输入到SRF腔2中。