[发明专利]一种超导腔中温退火方法

说明书

本发明公开了一种超导腔中温退火方法，本方法为：1)对超导腔的内表面进行电化学抛光及清洗；2)如果超导腔为已除氢的超导腔，则进行步骤3)；否则对超导腔进行高温退火，然后进行步骤3)；3)将超导腔置于真空炉中，抽真空并加热至中温区，保温一段时间进行中温退火。本发明相比传统超导腔处理工艺能够进一步降低超导腔的表面电阻，从而减小超导腔的功耗，并且能够简化工艺流程。

技术领域

本发明涉及一种超导腔中温退火方法，属于粒子加速器、射频超导与低温技术领域。

背景技术

超导腔是加速器中用来加速带电粒子的一种微波谐振腔，为带电粒子提供能量，其在超导加速器中的作用类似于汽车的发动机。目前常规的超导腔都是由纯金属铌制成，与常温腔相比有比较明显的优势(加速梯度高、腔壁损耗小、束流孔径大等)。因此，世界上近年来建成的和建设中的大型加速器装置中有相当大的比例采用超导腔加速各种带电粒子(电子、质子、重离子……)，如正在建设中的美国直线加速器相干光源二期(LCLS-II)、中国上海开工建设中的硬X射线自由电子激光装置(SHINE)，以及加速器驱动嬗变研究装置(CiADS)和强流重离子加速器(HIAF)等。

衡量超导腔性能优劣的指标主要有两个：一个是加速梯度(Eacc)，另外一个是超导腔的无载品质因数(Q₀)。超导腔的品质因数直接由其几何形状和表面电阻(Rs)决定。Rs越小，超导腔的Q₀就越高，超导腔自身的功耗也就越小(从而能够大幅度降低低温系统的建设和运行成本)，超导腔的性能也就越好。为此，从超导腔研发开始，科研人员采用各种方法来降低超导腔的表面电阻，例如：提高铌材纯度、化学抛光去除表面杂质、高温退火(600-800摄氏度)除氢、低温烘烤(50-150摄氏度)消除高场Q-slope、氮掺杂等等。

随着相关技术的发展进步，目前超导腔的表面电阻(Rs)已经接近传统BCS超导理论的极限，很难继续降低，并且工艺复杂。因此，需要采用一些新方法、新技术来进一步降低超导腔的表面电阻，从而进一步降低超导腔的功耗。

发明内容

针对现有方法中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种超导腔中温退火(250-500摄氏度)方法，本发明相比传统超导腔处理工艺能够进一步降低超导腔的表面电阻，从而减小超导腔的功耗，并且能够简化工艺流程。

本发明的技术方案为：

一种超导腔中温退火方法，其步骤包括：

1)对超导腔的内表面进行电化学抛光及清洗，去除加工过程中引入的杂质和缺陷，降低超导腔内表面的粗糙度；

2)(可省略)对超导腔的外表面进行缓冲化学抛光；

3)(对已除氢的超导腔可省略)对超导腔进行常规高温退火；

4)(可省略)将超导腔从真空炉中移出，进行内表面电化学抛光；去除步骤3)高温退火引起的表面污染；

5)将超导腔置于真空炉中，抽真空并加热至设定温度后(中温区250-500摄氏度)，保温一段时间进行中温退火；

6)(可省略)对外表面进行缓冲化学抛光、内表面进行电化学抛光；通过此步骤的缓冲化学抛光去除步骤5)引起的外面表氧化层，通过此步骤的电化学抛光去除内表面的部分杂质；

7)完成以上六步后，超导腔中温退火完成，可以进行常规高压水冲洗和洁净组装后直接进行垂直测试或带束运行。

进一步的，所述步骤1)对超导腔的内表面进行电化学抛光：首先将超导腔放入超声清洗池对内外表面进行超声除油、并用纯水冲干净；然后将超导腔作为阳极，空心铝棒作为阴极，电解液为氢氟酸和浓硫酸按1:9配比的混合溶液，在低于25度的环境下对超导腔进行电化学抛光；电化学抛光结束后立即对超导腔内表面进行超声脱硫。