[发明专利]一种铜基厚壁铌基超导腔的制备方法

说明书

本发明公开了一种通过外表面电镀无氧铜制备铜基厚壁铌基超导腔的方法。该方法包括以下步骤：1)薄壁纯铌超导腔的机械冲压、电子束焊接加工；2)纯铌超导加速腔电镀前的预处理，如高温除气、内外表面BCP抛光、超声波清洗；3)无氧铜电镀溶液的配备；4)纯铌超导加速腔外表面电镀无氧铜；5)纯铌超导加速腔外表面电镀无氧铜之后的后处理。本发明研制的铜基厚壁铌基超导腔，无氧铜层致密度高、孔隙率低、热反应小、铜壁厚度容差大，且可批量生产成本低，能够在确保铜基厚壁铌基超导腔射频性能不低于纯铌超导腔水平的前提下，显著增加超导腔的机械稳定性与热稳定性，适合基于射频超导加速器技术的大科学装置使用。

技术领域

本发明涉及超导技术领域，具体涉及一种通过外表面电镀无氧铜研制铜基厚壁铌基超导腔的方法。

背景技术

当前的射频超导加速器采用的超导加速腔主要采用RRR(剩余电阻率比值，表征材料的纯度)300的高纯铌板通过机械冲压、电子束焊接制造。但是受限于铌材4.2K或者2K运行温度下较低的导热能力，纯铌超导腔的壁厚一般不超过3-4mm。一方面，3-4mm壁厚的纯铌超导腔机械稳定性差，对颤噪、洛伦兹失谐、He压波动等外界干扰敏感，容易引起频率失谐；另一方面，纯铌超导腔3-4mm的壁厚导热能力较差，不能及时把超导腔局部的发热传递到液氦，容易引起热不稳定现象。总之，从已有的运行经验以及纯铌超导腔的结构特点来看，纯铌超导腔很难满足强流超导加速器的连续稳定运行需求。

超导腔机械稳定性的提高，应在不影响热传导的基础上，通过增加腔体壁厚来实现。铜在4.2K或2K低温下的导热能力比RRR300的铌材高约一个量级。因此，当前一个重要的突破方向是采用价格更低、热导更好的无氧铜为衬底，研制铜基厚壁纯铌超导腔。

当前，铜基厚壁纯铌超导腔的主要制造方法是在厚壁无氧铜腔内表面，通过溅射的方式生长一层2-3μm的铌薄膜(简称铜铌溅射薄膜腔)。但是受制备过程的限制，溅射铌膜的晶粒尺寸小，伴随晶界弱连接、晶界弱耦合等限制因素，使得铜铌溅射薄膜腔的射频性能达不到纯铌超导腔的水平，无法广泛应用于当前的射频超导加速器大科学装置。因此，如何在保证超导腔射频性能的前提下，提高超导腔的机械稳定性与热稳定性，是解决当前和未来高能量、高流强射频超导加速器稳定运行问题的关键。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种通过外表面电镀无氧铜制备铜基厚壁纯铌超导腔的方法。该方法可以在保证铜基厚壁纯铌超导腔射频性能达到纯铌腔水平的基础上，显著提升超导腔的机械稳定性和热稳定性，且造价低，可批量生产，尤其适合用于需长时间稳定运行的射频超导加速器大科学装置。

为实现上述目的，本发明拟采取以下技术方案：

一种通过外表面电镀无氧铜制备铜基厚壁纯铌超导腔的方法，包括下述步骤：

1)采用RRR300、厚度为1.5-2.5mm的高纯铌材料，通过机械冲压、真空电子束焊接加工成薄壁纯铌超导腔；

2)对经步骤1)完成的薄壁纯铌超导腔进行真空检漏；

3)将经步骤2)真空检漏完成的纯铌超导腔进行超声清洗、晾干；

4)对步骤3)完成的纯铌超导腔内表面进行化学抛光处理，抛光厚度为80-150μm(具体如100μm)；

5)将经步骤4)完成的纯铌超导腔进行超声清洗、晾干；

6)将经步骤5)完成的纯铌超导腔放入真空炉内加热，进行高温除气处理；

7)将经步骤6)高温除气处理后的纯铌超导腔进行超声波清洗，晾干；

8)对步骤7)完成的纯铌超导腔内、外表面均进行化学抛光处理，内、外表面的抛光厚度均为10-40μm(具体如20μm)；

9)对经步骤8)完成的纯铌超导腔外表面沉积铜层；