[发明专利]一种铜铌复合射频超导谐振腔的制备方法

说明书

本发明公开了一种铜铌复合超导谐振腔的制备方法。该方法包括下述步骤：1)制备纯铌超导腔；2)对步骤1)制备的纯铌超导腔内外表面依次进行机械抛光、清洗液清洗、超声波超纯水清洗、酸液抛光、清除材料表面的残酸；清洗残酸后的超导腔外表面依次还进行喷砂和反镀电清洗处理；3)纯铌超导腔外表面铌铜间共晶键结合结构的制备：a、在纯铌超导腔外表面电铸过渡金属层：b、在所述过渡金属层的金属表面电铸铜；c、将铌‑过渡层金属‑铜层真空高温退火，通过过渡金属在铜和铌层产生原子间共晶键结合；4)在步骤3)制备的超导腔外表面的铜层上电铸厚铜层；5)对步骤4)制备得到的超导腔外表面精加工，即得所述铜铌复合超导谐振腔。

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，具体涉及一种铜铌复合射频超导谐振腔的制备方法。

背景技术

射频超导谐振腔(简称超导腔)是大型粒子加速器的核心部件，主要作用是将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，超导腔可分为横磁场(TM)模式超导腔和横电磁场(TEM)模式超导腔。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。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；

目前，金属铌是研制超导腔的首选材料，关于纯铌超导腔已经建立了标准的加工规范和后处理工艺。其中后处理工艺包括：机械抛光、化学抛光、高温退火(600度10小时或800度3小时)等。采用标准后处理工艺处理后的纯铌超导腔，其低温射频超导性能在实验室已经趋于材料的极限，然而受限于铌的低温热导和机械性能，纯铌超导腔的壁厚通常只能为2-4mm，导致纯铌超导腔的机械稳定性不高，需要额外加强筋补强，增加机械强度；热稳定性差(4.2K，铌热导小于100W/(m·K))，限制纯铌超导腔高加速梯度稳定运行；同时2-4mm厚的纯铌超导腔的材料成本高。

铜铌复合射频超导谐振腔简称铜铌复合超导腔，理论上能够进一步提高纯铌超导腔的机械稳定性、热稳定性、降低其研制成本(主要是材料成本)，同时又能保持纯铌超导腔良好的低温射频超导性能。其采用铜铌材料相间的复合双层金属结构。上述双层金属结构中靠近真空射频超导面的材料为纯铌(厚度可为0.2-4mm)，远离射频超导面与上述纯铌结合的材料为金属铜(厚度可为(2-15mm)。

目前，铜铌复合超导腔的研制有三条技术路线：1，采用铜铌复合板研制；2，先制备铜腔，再在铜腔内表面镀铌成型；3，先按纯铌超导腔的标准加工规范成型纯铌超导腔，再在纯铌超导腔的外表面覆铜。技术路线1的难点是：铜铌复合板的研制和铜铌复合板成型超导腔的纯度控制及焊道复合不易控制。技术路线2的难点是：复杂过渡区较难获得高质量的超导铌膜；技术路线3的难点是：须获得高结合强度的铜铌过渡界面、兼容纯铌超导腔标准后处理工艺，尤其是承受高温退火时(600度10小时或800度3小时)，和克服不同金属热胀应力对过渡面的影响。技术路线3是研制铜铌复合超导腔的最优技术，其能完全保持纯铌超导腔的高低温射频超导性能，同时提高纯铌腔的机械稳定性和热稳定性。上述难点的克服将极大的提高射频超导腔的加速效率。

发明内容

针对上述铜铌复合超导腔研制技术路线3中存在的技术难点，本发明提供了一种铜铌复合超导谐振腔(简称铜铌复合超导腔)的制备方法。

本发明所提供的铜铌复合超导谐振腔(简称铜铌复合超导腔)的制备方法，包括下述步骤：

1)纯铌超导腔制备：根据项目需求，按标准加工规范加工一只纯铌超导腔；

2)纯铌超导腔内外表面处理：对步骤1)制备的纯铌超导腔内外表面依次进行机械抛光、清洗液清洗、超声波超纯水清洗、酸液抛光、清除材料表面的残酸。

3)纯铌超导腔外表面铌铜间共晶键结合结构的制备：

a、在纯铌超导腔外表面电铸金属过渡层：

b、在上述金属过渡层的表面电铸铜；