[发明专利]一种实现铜铌复合超导腔固体传导冷却的方法

说明书

本发明公开一种实现铜铌复合超导腔固体传导冷却的方法。本发明所述方法不仅可使复合超导腔脱离液氦环境，杜绝压力波动带给复合超导腔的不稳定性的情况，而且在保证超导腔具有较好的超导性、机械稳定性的同时，还降低了现有维持复合超导腔运行的冷却结构的复杂程度，减少了复合超导腔体总体制造成本。

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，具体涉及一种实现铜铌复合超导腔固体传导冷却的方法。

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，主要优势是能耗低，加速效率高。

目前超导腔主要由RRR(剩余电阻率比值)300的金属铌板研制，但由于金属铌的导热性能差，而超导铌的超导转变温度为9K，因此纯铌超导腔只能采用2-4mm壁厚的铌板进行制备，并在纯铌超导腔的外围制作液氦槽盛装液氦，将纯铌超导腔浸没在液氦环境内冷却，以保证纯铌超导腔的正常运行。

然而，这种浸没液氦环境的冷却方式主要有两方面的不足：1)液氦波动会导致纯铌超导腔壁波动，进而导致纯铌超导腔的机械稳定性差的问题；2)液氦成本高，每只纯铌超导腔都需要被浸没在液氦中，导致加速器运行成本高；3)液氦槽的制作成本较高。

CN113593768A公开一种基于纯铌基超导腔的固体传导冷却结构，包括超导腔本体、第一导冷块、第二导冷块、二级冷板等。该固体传导冷却结构采用商业制冷机，通过固体传导冷却方式，使铌基超导腔在低温下稳定运行，摆脱传统超导腔液氦浸泡的冷却方式。但该固体传导冷却结构局限性大，主要针对的是热流分布在赤道位置类型的椭球型超导腔，并且冷却效果差，使得腔体运行梯度受限，通用性低。

近年来基于铜铌复合材料制作的超导腔(简称复合超导腔)成为研究的热点之一，其主要特点是利用铜的高导热性，将其铸造于超导腔的腔壁外表面上，在不降低超导腔热导性能的同时可使腔体壁厚达到纯铌超导腔的数倍，提高超导腔的运行机械稳定性。

针对此类铜铌复合超导腔，CN114952196A提出可通过固体传导的方式对铜铌复合超导腔进行冷却，以提升超导腔体的热稳定性，但并未提供具体的可行性方案，也无法预见其适用于各类型铜铌复合超导腔，通用性低。

为此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现铜铌复合超导腔固体传导冷却的方法，其不仅可使复合超导腔脱离液氦环境，杜绝液氦压力波动带给复合超导腔的不稳定性的情况，而且在保证超导腔具有较好的超导性、机械稳定性的同时，还降低了现有维持复合超导腔运行的冷却结构的复杂程度，减少了复合超导腔体的总体制造成本。同时本发明所述的固体冷却方法适用于目前各类型的铜铌复合超导腔，普适性较好。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种实现铜铌复合超导腔固体传导冷却的方法，包括如下步骤：

S1、利用高频仿真软件确定所述铜铌复合超导腔的高频损耗及热流分布；

S2、利用传热仿真软件确定导热带与所述复合超导腔本体的连接位置，以及所述导热带的截面大小、长度；

S3、将所述导热带的一端连接于所述连接位置，其另一端与粒子加速器的低温恒温器中的热锚连接。

本发明的发明构思如下：

本发明首次提出仅采取高导热性的导热带作为冷却途径的固体传导冷却方式，将导热带的一端与铜铌复合超导腔的铜层外表面部分区域连接，并将另一端与粒子加速器中低温恒温器的热锚连接，利用导热带和铜铌复合超导腔表面铜层的高导热性，将铜铌复合超导腔运行过程中高频损耗所产生的热量最大程度地带走，从而确保铜铌复合超导腔的正常运行。