[发明专利]一种基于高导热材料和高射频性能超导材料复合板的射频超导谐振腔及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于高导热材料和高射频性能超导材料复合板的射频超导谐振腔的制备方法。该方法包括下述步骤：1)双层材料A/B复合板准备；2)腔体零部件成型；3)机加工制作法兰；4)除干净真空电子束焊缝区域的材料B；5)零部件超纯水清洗、超声波清洗和晾干；6)零部件材料A表面电子束焊接前酸洗约5‑10微米；7)酸洗后的零部件的超纯水清洗、超声波清洗和晾干；8)整腔零部件真空电子束焊接；9)整腔焊缝区域覆材料B，即得。

技术领域

本发明属于粒子加速器技术、射频超导与低温技术领域，具体涉及一种基于高导热材料和高射频性能超导材料复合板的射频超导谐振腔及其制备方法。

背景技术

射频超导谐振腔(简称超导腔)具有加速梯度高、功率损耗低以及对束流扰动小等特点，广泛应用在大型粒子加速器中，是高能量、强流连续波或高占空比模式粒子加速器的核心部件。其主要作用是将其中的电磁场储能转化为带电粒子的动能。通常基于工作的电磁场模式，超导腔可分为横电磁场(TEM)模式超导腔和横磁场(TM)模式超导腔。TEM超导腔的代表是四分之一波长腔(QWR)、二分之一波长腔(HWR)、轮辐腔(Spoke)等；TM超导腔的代表是椭球腔，包括单单元椭球腔和多单元椭球腔。

目前超导腔主要由RRR(剩余电阻率比值)300的金属铌板研制，金属铌的导热和机械特性限制了纯铌超导腔只能采用2-4mm壁厚的铌板研制。经过半个多世纪的科技进步，纯铌超导腔的性能已经有了很大提升，实验室水平射频超导电性能已经趋于超导材料铌的材料极限。然而壁厚为2-4mm纯铌超导腔有三个方面的不足：1，机械稳定差：因其薄壁特点，2-4mm纯铌超导腔频率易受氦压波动、洛伦兹力和其他振动源影响，限制超导腔的稳定运行；2，热稳定性不高：金属铌的低温热导率低，超导腔易受内表面材料缺陷、电子负载效应等影响，导致超导腔热崩溃，限制超导腔高梯度稳定运行；3，RRR(剩余电阻率比值)300的高纯铌板材价格高-约为5000元/kg，导致超导腔研制成本高。

发明内容

为了克服现有纯铌超导腔的不足，本发明提出一种基于高导热材料和高射频性能超导材料复合板的射频超导谐振腔(简称复合超导腔)及其制备方法。其特点是使超导腔具有双层材料复合结构，靠近超导腔射频空间一侧的材料为高射频性能超导材料，厚度为0.5-2mm可调；远离超导腔射频空间一侧的材料为高导热材料，厚度为3-12mm可调。因为超导腔与电磁场接触的表面为高射频性能超导材料，远离电磁场区域另一侧的材料为高导热材料，且整体为厚壁结构(壁厚为3.5-14mm)，因此本发明能够使超导腔具有高的射频超导电性能，同时有效提高超导腔的机械稳定性和热稳定性；针对特定的超导腔腔型，因外表面高导热材料的存在，还能实现超导腔外表面传导冷却即无液氦冷却，降低维持超导腔运行的低温系统的复杂程度；采用复合板，能够有效降低复合超导腔高频面一侧的超导材料厚度，降低超导腔的材料造价。

横电磁场模式(TEM)超导腔和横磁场模式(TM)超导腔，虽然结构各异，但从加工角度考虑都具有相似的特点，都由多个零部件组成，通常包括腔壁主体、束流管、功率馈入管、功率提取管、以及超导腔与外部接口法兰等。通过真空电子束焊接技术将各个零部件焊接成为超导腔。

本发明提供的基于高导热材料和高射频性能超导材料复合板的射频超导谐振腔的制备方法，包括下述步骤：

1，双层材料复合板准备：根据具体超导腔的部件形状尺寸，制备特定尺寸的复合板材；选择A和B两种材料，通过化学和/或物理的方法，实现AB两种材料的有效复合、制成复合板材；其中材料A必须具有高射频超导性能，即低的低温射频表面电阻、高的临界温度(高于9K)和超热磁场(高于150mT)等，材料A板材厚度0.5-2mm可调；例如目前超导腔常用的高纯铌-临界温度为9.25K，超热磁场为240mT；材料B必须具有高的热导率(高于100W/m·K)，材料B板材厚度3-12mm可调(进一步可为6mm)，例如TU0无氧铜-4.2K热导率约为600W/m·K；