一种用于射频超导加速腔传导冷却的腔体处理方法

本发明属于射频超导加速器领域，涉及一种用于射频超导加速腔传导冷却的腔体处理方法。

背景技术：

1、射频超导加速腔，是利用超导材料做成具有特殊形状的微波谐振腔。在超导状态下，这种谐振腔具有很低的微波损耗，可以建立起非常强的微波电场，可以用于电子、重离子等带电粒子的加速。目前用于加速电子的椭球形射频超导腔已广泛应用于高能物理、核物理、自由电子激光等一系列加速器领域中。当前的射频超导腔材质为铌，需工作在2k温度的超流氦中，往往配备设备复杂，对人员要求高的大型液氦低温系统，难以在工业、国防等领域应用。近年来国际上提出的基于铌三锡射频超导薄膜腔和小型低温制冷机的传导冷却加速技术有望实现超导电子枪加速器的小型化，使其可应用于工业、医疗、环境等民生领域乃至国防领域。

2、由于常用商用低温制冷机的制冷量有限，对于超导腔而言，温度越低其表面损耗越小，品质因数越高。因此传导冷却加速技术的关键是对超导腔外表面进行一定的工艺处理，利用具有优良导热性能的冷却结构连接超导腔与制冷机，使超导腔内的射频损耗产生的热能够被及时导出，并保持在尽可能低的温度稳定工作。为覆盖更多应用场景，传导冷却结构需能满足铌三锡腔在加速梯度为10mv/m时仍能稳定工作。此外由于超导腔的品质因数很高，谐振带宽很窄，微小的机械振动也有可能使超导腔失谐，因此冷却结构在工艺上满足导热性能优良的同时还需隔离来自制冷机的机械振动。

3、当前国际上为超导腔设计的传导冷却工艺主要有两种，一种是美国费米国家加速器实验室设计的在铌腔赤道两侧电子束焊接铌环，并采用5n铝连接超导腔与制冷机的方式，这种方式通过电子束焊接很大程度上减小了冷却结构与超导腔之间接触热阻的问题，但由于铌在4k时的热导率仅为50～80w/(m·k)，在腔体射频损耗较高时，腔表面温度将难以保持均匀，容易出现过热点导致热致失超，因此适用于品质因数较高(加速梯度10mv/m时品质因数高于十次方)的铌三锡薄膜腔。另一种工艺是美国托马斯杰斐逊国家实验室开发的在铌腔外表面电镀较厚的高剩余电阻率(rrr>300)的铜层，然后通过电镀在超导腔上固定可工装连接的铜箍，这种方式也很好地解决了冷却结构与超导腔之间接触热阻大的问题，并且电镀铜的热导率非常高，腔体的的稳定性和均匀性都得到了明显提高，但这种方式时间成本过高，为获得足够厚度的铜层，一只1-cell腔的电镀铜工艺时长便超过3个月，并且存在电镀液进入超导腔内部污染薄膜的风险。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于铌-铜-铝复合传热结构的射频超导腔处理方法。超导腔的表面损耗与表面电阻和表面切向磁场相关，由于腔内椭球赤道附近的磁场强度高，损耗主要集中在这个区域，本发明通过在射频超导腔外表面冷喷涂铜、紧装配铜箍；再使用铜或铝制的软连接来连接小型低温制冷机的冷头与超导腔，解决了射频超导腔在用于传导冷却时面临的腔体导热性差、接触热阻太大等问题，本发明提供超导腔稳定工作的温度和减小外部振动带来的影响，能大幅提升了传导冷却的超导腔的热稳定性与热均匀性，进而可提升传导冷却的超导腔的射频性能。具体如下：

2、1)将冷喷涂工艺应用于超导腔外表面覆铜，可快速获得数毫米厚的铜层，大幅缩短覆铜时间，并且在实现铜层与超导腔的良好结合的同时大幅度降低了接触热阻，提升了传导冷却结构的导热性能；

3、由于铜和铌的物理性质相差很大，铜与铌之间没有互溶相，通过电镀等普通沉积方法获得的铜层与铌基底的结合强度低，涂层容易脱落。冷喷涂工艺可获得与铌基底结合强度较高的铜镀层，并且在一定范围内，送粉气压力、温度越高，结合强度越高。为保证铜涂层在从室温到液氦温区多次降温复温仍不脱落，需采用高压冷喷涂技术。高压冷喷涂的材料选择及工艺参数控制为：

4、1.所选铜粉末为纯度高于99.95％的无氧铜粉，粒径为10-50μm；

5、2.送粉气为氦气或氮气。优选为氦气，更容易使铜粉加速至高于临界速度，提升结合强度；

6、3.送粉气压力为3-7mpa，流量为120-150slm；

7、4.喷枪腔室温度为500-700℃；

8、5.喷涂距离为20-50mm；

9、6.喷涂铜层厚度为2-5mm。

10、7.铜粉末温度为180-220℃，铜粉软化不融化；

11、8.喷涂过程监测基体温度不高于60℃，可旋转腔体增加线速度进行散热，避免铜层的氧化。

12、2)使用冷喷涂工艺固定无氧铜箍，实现了铜箍与铜层的良好结合，同时也可很大程度上降低接触热阻，同时增加导热面积；

13、3)利用高纯铝钣金为c形降低了制冷机振动对超导腔的影响，铌-铜-铝的复合传导冷却结构可实现低品质因数铌三锡薄膜腔的cw模式较高梯度稳定运行。

14、本发明的技术方案为：

15、一种用于射频超导加速腔传导冷却的腔体处理方法，其步骤包括：

16、1)在超导腔内表面沉积铌三锡薄膜，对所得铌三锡薄膜腔在液氦中进行垂直测试；

17、2)对测试通过的铌三锡薄膜腔进行清洗并抽真空后，向内部充入用于保护铌三锡薄膜的气体；

18、3)对超导腔外表面做喷砂处理，便于铜粉沉积；

19、4)采用冷喷涂工艺在喷砂处理后的超导腔外表面覆铜，形成冷喷涂铜层；

20、5)在喷涂完成的超导腔的赤道位置与束管两侧靠近椭球部分的位置进行机械抛光；

21、6)将与超导腔的赤道位置匹配的无氧铜箍环套入固定在超导腔赤道，将在超导腔的两个束管上分别固定一与超导腔束管匹配的无氧铜箍；所述无氧铜箍环包括两片半环；

22、7)对超导腔上无氧铜箍环、无氧铜箍位置两侧再次进行冷喷涂铜处理，形成二次冷喷涂铜层。

23、进一步的，采用冷喷涂工艺在超导腔外表面覆铜时，所选铜粉末为纯度高于99.95％的无氧铜粉，粒径为10～50μm；送粉气为氦气或氮气，送粉气压力为3-7mpa，流量为120-150slm；喷枪腔室温度为500-700℃，喷涂距离为20-50mm，喷涂过程监测所述超导腔的基体温度不高于60℃。

24、进一步的，所述二次冷喷涂铜层6截面为近三角形，用于增大无氧铜箍环、无氧铜箍与超导腔之间的导热面积以及加固无氧铜箍环、无氧铜箍。

25、进一步的，喷涂铜层厚度为1-5mm。

26、进一步的，利用锡蒸汽法在超导腔1内表面沉积铌三锡薄膜。

27、进一步的，对步骤7)处理好的超导腔进行超声清洗，去除结合不紧固的铜粉。

28、进一步的，对步骤7)处理好的超导腔内部抽真空后密封；然后在高温真空炉中进行真空退火处理，退火温度为300-600℃，真空度好于1×10-2pa,退火时间0.5-1h。

29、一种超导腔，其特征在于，包括采用上述方法进行处理后的腔体。

30、一种具有冷却结构的超导腔，其特征在于，将采用上述方法处理后的超导腔通过腔赤道连接件7与制冷机的冷头连接，所述腔赤道连接件7弯折为c型；所述腔赤道连接件7一端连接制冷机的二级冷头、另一端与超导腔赤道位置的高纯铝环连接，腔赤道束管连接件8一端与所述无氧铜箍5连接、另一端与超导腔赤道位置的高纯铝环连接。

31、进一步的，所述腔赤道连接件7的材料为高纯铝板；所述腔赤道束管连接件8为高纯铝板钣金件；无氧铜箍环3与高纯铝环4的配合面、无氧铜箍5与腔赤道束管连接件8的配合面、腔赤道连接件7与腔赤道束管连接件8的配合面上均垫有厚度为0.1mm的铟箔，制冷机的二级冷头与腔赤道连接件7之间涂抹低温真空导热脂。

32、本发明的优点如下：

33、本发明可快速完成超导腔外表面的覆铜处理，以便快速获得完整的传导冷却结构。同时本发明有较好的热均匀性与热稳定性，可实现较低品质因数铌三锡薄膜腔的连续波模式较高加速梯度稳定运行；另外安装灵活，可适用于不同类型的传导冷却测试平台。

34、本发明将在提升腔体热稳定性、热均匀性，使其可以用于较低品质因数的铌三锡薄膜腔的同时，简化工艺，大幅缩短处理时长，使其更便于实际应用。