1.5GHz铌腔RF超导的实验研究

北京大学重离子所自1988年开始“超导腔”课题的研究工作,经过三年不懈努力获得了重大进展,受到国内外同行与专家的好评。本文详述了此课题的实验准备工作及低温超导物理实验过程,总结了RF(射频)超导实验技术、微波及锁相测量技术、腔体的后处理技术、计算机模拟设计及计算机控制、数据获取与处理等有关工作的进展和成果。目前,1.5GHz铌腔在CW模式的低温超导实验中获得了8.6MV/m(Q_o=6.5×10~8)的加速梯度,并在2K温度时,测得Q_o=8×10~9,这些实验结果达到了当前国际上的先进水平。

超导铌腔电抛光去除厚度的控制方法

我公司和北京大学于2017年共同建立了电抛光(electro-polishing,简称"EP")装置,并对EP去除厚度的控制方法进行了大量试验,从称重、超声波测厚仪测厚及理论跟踪计算三个方面阐述了超导铌腔EP过程中去除厚度的控制方法。试验主要以理论跟踪计算为主,称重和超声波测厚仪测厚为辅来验证理论跟踪计算的准确性.通过多次EP试验,结果表明理论跟踪计算是控制EP去除厚度最为直接、可靠的一种方法。

超导高频铜腔镀铌研究进展

随着粒子加速器超导高频技术的发展,超导高频腔的加速梯度与Q0值已接近纯铌材料的极限。然而,相比纯铌材超导高频腔,铜镀铌腔具有热稳定性高、机械稳定性高、对于直流磁场不敏感、RF性能和热性能可分离、优化的BCS电阻等优点。但目前铜镀铌腔在中等加速梯度(10~15 MV/m)下有较为严重的Q值下降,而且随超导腔的频率增加其下降趋势增大。近年来,镀膜超导高频腔的研究热点主要集中在:①通过采用能量更高的沉积技术,如:高功率脉冲磁控溅射、阴极电弧法、电子束等离子体蒸镀法、激光脉冲沉积等方法,降低薄膜内缺陷,提高薄膜的致密度,薄膜与衬底的结合力;②通过研究薄膜中氧、氢等杂质含量对表面剩余电阻等的影响,进而分析引起Q值下降的原理;③研发性能更优的多层膜结构以及新型沉积方法等。铜镀铌腔在LEP、LHC等粒子加速器中已经得到应用,并且稳定运行多年,证明其工程应用的可靠性与实际意义。

QWR铜铌溅射超导腔铜基频率的机械修正

对QWR铜铌溅射超导腔铜基进行频率修正时,需考虑温度导致的频率变化。本工作研究了铜基频率随温度的变化,并在液氮温度下进行实验验证,在此基础上确定了铜基频率的修正工艺。实验结果表明,150MHz的QWR铜铌溅射超导腔修正后的频率与预期频率误差在2kHz以内。

HI-13串列加速器升级工程144 MHz铜铌溅射超导腔物理设计

为设计HI-13串列加速器升级工程中的QWR铜铌溅射超导腔,利用电磁场计算软件和力学结构计算软件分析了QWR腔的高频特性和机械振动频率。考虑到QWR腔在加工和运行时的环境温度差异,给出了QWR腔常温加工时的几何尺寸。本工作还分析了QWR腔电磁场的不对称性对束流输运的影响。

1.3 GHz超导腔磁通排出效应研究

设计并搭建了一套高精度的磁场测量和补偿系统,并结合中国科学院高能物理研究所(IHEP)的2K超导腔垂直测试平台对1.3 GHz单加速间隙超导腔的磁通排出效应开展了实验研究:利用研制的磁场测量和补偿系统能够精密地测量超导腔赤道位置磁场,并能够将磁场补偿至小于5.0×10-8 T;并对超导腔不同表面温度梯度下的磁通排出效应进行了测量分析;对钉扎了磁场的超导腔进行了射频性能测试,研究了超导腔电阻对磁通钉扎的敏感度,以及在不同电场梯度下超导腔的表面电阻变化情况。结果表明,研制的高精度磁场测量和补偿系统能够满足超导腔磁通排出研究的需求;高的超导腔表面温度梯度有利于磁通的排出;磁通钉扎电阻的敏感度随着加速电场梯度的增加而增大,导致超导腔的性能下降。此实验研究也为后续超导腔的研制奠定了一定基础。

超导射频腔用铌材的表面化学抛光技术

通过分析化学抛光过程中铌材的抛光速率、表面形貌和氧化状态等参数,确定了超导腔用铌材的表面化学抛光工艺:混合酸(HNO_3:HF:H_3PO_4=1:1:2,体积比)为适合的抛光试剂,抛光速率方程为h=29.359t 0.9247,抛光6~15 min可移除厚度154~360μm,表面粗糙度Ra小于0.65μm,表面Nb_2O_5层厚度小于10 nm。同时,利用电子背散射衍射技术(EBSD)结合表面形貌讨论了化学抛光机制,发现机加纹路消除后继续延长抛光时间,晶粒内高指数晶面(原子疏排面)会被优先抛光,从而在晶界处形成较深的沟槽,在晶粒内出现尖锐突起。

改进铜铌溅射型QWR超导腔性能的探讨

通过直流偏压二级溅射方法 ,在无氧铜腔体表面溅射一层铌膜 ,研制了铜铌溅射型射频超导 1 4波长谐振腔(quarterwaveresonator,QWR) ,该腔主要用于重离子的加速 ,是北京放射性核束装置中后加速部分的预研项目 .目前国际上很多实验室都在研究进一步提高铜铌溅射型QWR超导腔的性能 ,通过多种方法的实验研究 ,发现在无氧铜衬底与铌膜之间加入一层氮化铌 (NbN)薄膜 ,可以使得表面铌膜的超导温度转变点由原来的 8 8K提高到了接近9 6K ,该方法有可能成为提高QWR腔加速性能的重要途径 。

微波频率时间标准的研究

在微波，已能用１×１０－１３的准确度确定某个频率；这表示原子的能级差可以这么精确。铯钟是原子时间得以定义的根据。氢钟的谱线极窄，能级图简单，稳定度高（在１０－１３至１０－１５之间）。另一方面，利用宏观物理效应也能做出高准确度、高稳定度的微波频标——超导腔稳频振荡器（ＳＣＳＯ）即为显著的实例。超导腔的质量因数最佳者可达１０１１，ＳＣＳＯ的短期稳定度竟可达６×１０－１６。