一种3D打印纯铌超导腔的整腔脱氧装置及方法

本发明属于粒子加速器，涉及一种3d打印纯铌超导腔的整腔脱氧装置及方法。

背景技术：

1、射频谐振超导加速腔在连续波模式或长宏脉冲模式下，可提供高的加速梯度并且可大大缩减加速器的尺寸，同时，可降低加速器的功率消耗，因此国内外各种大型加速器普遍使用射频谐振超导加速腔来加速电子、质子以及重离子。目前国内外兴起利用3d打印技术开展3d打印超导铌腔的制作研究，这种方法不仅可以极大缩短生产周期，而且由于腔体一体成形无焊缝，不受冲压成形条件的限制，制作过程中多余的粉末可以重复利用，降低了生产成本，具有良好的市场前景。但该技术仍存在一些亟待解决的问题：一是3d打印用的铌粉在制造过程中会出现大于100ppm的氧增量；二是纯铌粉在3d打印过程中的高温条件下极易氧化，被氧化的超导铌腔将会严重影响超导性能的提升。

2、目前，国内外针对铌的氧化物脱氧的常用方法有碳热还原法、铝热还原法和熔盐电脱氧法(简称ffc法)。其中使用碳热还原法和铝热还原法脱氧的铌不可避免地残留有还原剂物质，其纯度也只能达到95％左右，远远达不到超导腔所需要的纯度要求，并且只能针对nb2o5粉末进行脱氧，无法对打印好的整腔进行脱氧。然而熔盐电脱氧法可以满足纯度要求，但目前只针对nb2o5粉末的烧结片进行脱氧，没有针对3d打印纯铌超导腔进行整腔脱氧的设备和研究先例。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种3d打印纯铌超导腔的整腔脱氧装置及方法，从而解决现有技术中无法对3d打印纯铌超导腔进行整腔脱氧的技术问题。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种3d打印纯铌超导腔的整腔脱氧装置，包括电源、加热炉以及惰性气源；

4、所述加热炉的内部设有反应器、吊装工装以及夹持工装；

5、所述待脱氧的纯铌超导腔置于所述反应器的内部，所述吊装工装与夹持工装连接，所述夹持工装与待脱氧的纯铌超导腔连接；

6、所述惰性气源与所述加热炉连接，为脱氧反应提供惰性气氛；

7、所述反应器的内部还设有碳阳极，所述碳阳极与所述电源的正极连接，待脱氧的纯铌超导腔与所述电源的负极连接。

8、优选的，所述吊装工装包括连接件以及与所述连接件均固定连接的第一支撑件以及第二支撑件；所述夹持工装与连接件可拆卸连接。

9、优选的，所述夹持工装包括可拆卸连接的第一夹持单元以及第二夹持单元；所述第一夹持单元以及第二夹持单元沿待脱氧的纯铌超导腔径向方向的两侧对称设置。

10、优选的，所述第一夹持单元包括两个第一支撑杆以及与所述两个第一支撑杆均固定连接的第一夹持组件，所述第二夹持单元包括两个第二支撑杆以及与所述两个第二支撑杆均固定连接的第二夹持组件；所述第一夹持组件与所述第二夹持组件之间可拆卸设有连接板。

11、优选的，所述第一夹持组件包括两个平行设置的第一夹持板，两个第一夹持板设置在所述待脱氧的纯铌超导腔轴向方向的两侧；所述第二夹持组件包括两个平行设置的第二夹持板，两个第二夹持板设置在所述待脱氧的纯铌超导腔轴向方向的两侧。

12、优选的，所述加热炉上设有电源连接件，设于所述反应器内部的待脱氧的纯铌超导腔以及碳阳极通过所述电源连接件与所述电源连接。

13、优选的，所述电源连接件上设有阳极引线以及阴极引线，所述阴极引线的自由端缠绕在待脱氧的纯铌超导腔的半腔以及束管的连接处。

14、优选的，所述惰性气源与加热炉之间还设有气体循环单元，所述气体循环单元上设有氧含量检测部件。

15、一种3d打印纯铌超导腔的整腔脱氧方法，采用上述的脱氧装置，并包括以下步骤：

16、利用夹持工装对待脱氧的纯铌超导腔进行夹持固定，然后与吊装工装固定连接后，将待脱氧的纯铌超导腔置于反应器内部，将碳阳极置于反应器中，向反应器中加入混合盐，并将待脱氧的纯铌超导腔以及碳阳极与电源连接，关闭加热炉，连接惰性气源与加热炉；

17、开启加热炉，依次进行混合盐脱水、电解脱氧以及化学抛光完成所述整腔脱氧过程。

18、优选的，当加热炉内的氧含量大于10ppm时，向加热炉中补充惰性气体。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

20、本发明公开了一种3d打印纯铌超导腔的整腔脱氧装置，利用吊装工装以及夹持工装将待脱氧的纯铌超导腔置于反应器的内部，连接电源以及惰性气源后，在加热炉内部直接进行整腔脱氧；运用吊装支架，保证超导腔浸入熔盐当中，但电解过程当中避免于其他部件接触；运用夹持工装避免加热过程当中，超导腔发生变形；通入惰性气体可将炉内的空气排出并充满惰性气体，防止加热过程中超导铌腔的二次氧化。该装置结构简单，操作便捷，有效实现了对3d打印后的纯铌超导腔整腔进行脱氧。

21、进一步的，所述夹持工装包括可拆卸连接的第一夹持单元以及第二夹持单元，所述第一夹持单元以及第二夹持单元沿待脱氧的纯铌超导腔径向方向的两侧对称设置，有效实现了待脱氧的纯铌超导腔的假设固定。

22、进一步的，所述第一夹持单元包括两个第一支撑杆以及与所述两个第一支撑杆均固定连接的第一夹持组件，所述第二夹持单元包括两个第二支撑杆以及与所述两个第二支撑杆均固定连接的第二夹持组件；所述第一夹持组件与所述第二夹持组件之间可拆卸设有连接板，有效实现了对待脱氧的纯铌超导腔的夹持保护以及加热变形，避免其在后期操作过程中被触碰，对其表面和形状造成影响。

23、进一步的，所述第一夹持组件包括两个平行设置的第一夹持板，两个第一夹持板设置在所述待脱氧的纯铌超导腔轴向方向的两侧；所述第二夹持组件包括两个平行设置的第二夹持板，两个第二夹持板设置在所述待脱氧的纯铌超导腔轴向方向的两侧，使得待脱氧的纯铌超导腔的夹持固定更加稳定。

24、进一步的，所述加热炉上设有电源连接件，设于所述反应器内部的待脱氧的纯铌超导腔以及碳阳极通过所述电源连接件与所述电源连接，此处电源连接件的设置使得内部电源的通断更加便捷。

25、进一步的，所述电源连接件上设有阳极引线以及阴极引线，所述阴极引线的自由端缠绕在待脱氧的纯铌超导腔的半腔以及束管的连接处，使得阴极引线的连接更加稳固。

26、进一步的，所述惰性气源与加热炉之间还设有气体循环单元，所述；气体循环单元上设有氧含量检测部件，此处气体循环单元的设置了使得对反应气氛的气体可以循环利用，有效控制了工艺成本，氧含量检测部件的设置可使得操作者实时观察加热炉内气体的氧气含量，便于对其进行控制。

27、另外，本发明还公开一种3d打印纯铌超导腔的整腔脱氧方法，将超导铌腔的整腔置于反应器中，并结合混合盐脱水、电解脱氧以及化学抛光有效实现了对纯铌超导腔的整腔脱氧，并且脱氧并后处理的3d打印纯铌超导腔，可以将内表面深度不小于1mm范围内的氧含量降低到10ppm以下。满足超导腔rrr≥300，氧含量低于10ppm的使用要求。

28、进一步的，当加热炉内的氧含量大于10ppm时，向加热炉中补充惰性气体，有效实现对反应体系中氧含量的控制，以实现超导铌腔的充分脱氧。