[发明专利]一种高稳定铌基超导加速腔及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高稳定铌基超导加速腔，包括使用高纯铌‑无氧铜复合板材(简称铜铌复合板)通过合适的冲压模具制作出所需要的冲压件；通过机械与化学方法去除铜铌复合冲压件上焊缝附近的无氧铜；采用电子束焊接把铜铌复合冲压件以及纯铌束管焊接在一起形成一个腔体；铜铌复合腔焊缝处补铜。本发明方法可在保证铜铌复合超导腔射频性能的前提下，显著提高超导腔的机械稳定性和热稳定性，尤其适合超导加速器的长时间连续稳定运行。

技术领域

本发明属于粒子加速器技术领域，具体涉及一种具有高机械稳定性、高热稳定性、高射频性能的铜铌复合厚壁加速腔制造方法，特别涉及射频超导加速腔(简称超导腔) 的制造方法。

背景技术

加速器在科研、能源、国防、医疗等领域发挥着重要作用，是一个国家综合国力 的体现。得益于超导态下极低的表面电阻，当前国内外在建、筹建及计划中的加速器 前沿领域重大项目都将射频超导技术作为首选方案。射频超导腔是超导加速器的核心 部件，对带电粒子进行加速。目前，超导腔主要采用RRR(剩余电阻率)～300的高纯 铌材制造。从1968年首次采用纯铌加工超导腔后，经过50多年的腔型优化设计、制 造加工工艺水平、超导腔后处理工艺水平发展，纯铌超导腔的射频性能得到显著提升， 纯铌超导腔的应用范畴也涵盖了β(相对论速度)从～0.05到1的各种带电粒子。

但是，纯铌超导腔的应用也存在着比较严重的问题。受限于铌材较低的导热能力，纯铌超导腔都是由厚度为3-4mm的高纯铌板加工而成，这样的薄壁结构机械稳定性和 热稳定性较差，容易导致纯铌超导腔因氦压波动、洛伦兹失谐、颤噪等因素而出现频 率失谐，也容易导致纯铌超导腔因缺陷、二次电子倍增效应、场致发射效应而出现热 失超。该问题将限制当前和未来高能量、高流强射频超导加速器的稳定运行及其应用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有高机械稳定性、高热稳定性、高射频性能的铜铌复合厚壁超导腔制备方法，解决纯铌超导腔机械稳定性、热稳定性差， 无法满足超导加速器稳定运行的难题。

为实现上述目的，本发明拟采取以下技术方案：

一种铜铌复合厚壁超导腔的制备方法，包括下述步骤：

1)采用厚度为0.5-2.0mm、RRR300的高纯铌材与高纯无氧铜(OFHC)的复合 板材料，通过冲压模具制作出所需形状的超导腔用的腔体零件；

2)采用RRR300的高纯铌材，通过冲压模具制作出所需形状的束管；

3)采用铌钛合金材料，用车床加工出与所述束管对接的法兰；

4)用车床将步骤1)制备的铜铌复合腔体零件焊缝附近无氧铜层进行机械剥离，直到焊缝附近的铜铌复合板厚度被剪薄至直到焊缝附近的铜被完全去除；

5)用超声清洗装置，对经步骤2)、步骤3)和步骤4)完成的部件进行超声清洗， 清洗时间不少于30分钟；

6)将质量浓度不大于30％的硝酸溶液置入平底容器，所述硝酸溶液的液面高度不高于铜铌复合腔体零件焊缝附近的去铜宽度；将步骤5)中的铜铌复合腔体零件去 铜部分放置于所述硝酸溶液中进行化学清洗，去除剪薄后焊缝附近可能的残铜；

7)将步骤6)中化学清洗后的铜铌复合零件进行超声清洗；

8)将混合酸液置入平底容器，所述混合酸液的液面高度不高于铜铌复合腔体零件焊缝附近的去铜宽度；再将步骤7)清洗后的铜铌复合零件焊缝附近去铜部分放置于 所述混合酸液中进行化学清洗；其中，所述混合酸液由质量分数40％的氢氟酸、质量 分数65％的硝酸、质量分数85％的磷酸依次按照1：1：2的体积比组成；

9)将步骤2)的纯铌束管整体放入混合酸液中进行化学清洗，其中，所述混合酸 液由质量分数40％的氢氟酸、质量分数65％的硝酸、质量分数85％的磷酸依次按照1： 1：2的体积比组成；