一种分体式超导谐振腔及其制备方法

1.本发明涉及射频超导技术领域，具体涉及一种分体式射频超导谐振腔及其制备方法。


背景技术：

2.射频超导腔是电磁谐振腔的一种，其与常导谐振腔相比具有品质因子高、加速梯度高等优势，是粒子加速器的核心部件。然而其所用的超导材料，如金属铌，价格昂贵且难加工，普通铌材，如3mm*100mm*100mm的铌片样品价格约为1200元。超导腔的性能对杂质、缺陷等非常敏感，所以现在的超导铌腔常规的加工方法一般是先冲压出两个半碗形，再利用不容易引入杂质但非常昂贵电子束焊接(单条焊缝1-2万元)后成型。使用此方法制作的椭球形超导腔的价格一般为七、八万元(小尺寸3.9ghz椭球腔，直径约74mm，长约182mm)，随着尺寸或难度的增加甚至可达到十几万甚至几十万元。
3.国际上的一些粒子加速器如atlas,infn-lnl,jaeri,isac-ii采用“共真空系统”(参考文献：https://www.phy.anl.gov/atlas/year25th/laxdal.pdf)，即超导腔和低温保温的恒温器共用一个真空空间。在真空空间内，射频超导腔不必额外抽取真空，对超导腔承受大气压差的机械性能和密封性能要求都比较低。
4.近来，超导铌的冶炼技术有了大幅进步，从以前的仅有小晶粒材料(50μm以下)到现在有厘米级尺寸的大晶粒材料、甚至小尺寸的单晶材料。此类材料导热系数较高，抛光后表面平滑度高，故射频损耗较低，很适合做射频超导腔。但是此类材料，尤其是单晶材料，仍然很难做成超导腔传统制作方法中冲压半碗步骤所需的大尺寸(1.3ghz腔需边长约五十厘米左右的正方形板)，故而限制了此类材料在超导腔的使用。
5.另外，内壁镀膜腔近来发展迅速，包括铜内镀铌、铌内镀铌三锡、铜内镀铌三锡或硼化镁等。但是由于镀膜设备(如磁控溅射法)体积庞大，而超导腔束管口尺寸狭小，故镀膜设备要单独设计、制造镀膜的靶伸入至腔内，昂贵且过程繁复，且最小只能镀膜至1.3ghz的腔内(束管口直径约78mm)。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明的目的是提供一种分体式超导谐振腔，运行于tm010模式，由能够分开的至少两块分体块接合形成。本发明涉及一种分体式超导谐振腔，其使用环境为共真空恒温器或置于单独的密闭金属真空壳内作为内腔使用(见申请人此前申请的《一种可拆解的嵌套式复合超导腔》，申请号202210317461.6)。所述超导腔的每部分沿经向分开加工，同样尺寸的超导腔所需原材料铌的尺寸小，原材料价格更低且有可能可采用单晶铌材；因为缝隙和表面电流方向一致，且缝隙处电磁场指数级衰减，故基本不会有什么损耗，所以不必在焊接时将所有的缝隙完美的填满，各部分的焊接要求低，甚至可以不用焊接仅通过机械连接，降低焊接成本；在化学抛光、及退火、及镀膜加工时，分体腔每部分分开做处理，由于不是密闭的腔体，大大降低了这些处理工艺的难度。尤其是对于内壁镀膜，分体
腔每部分直接打开，内壁直接暴露在外，故不必特意使用伸入腔内的靶，大大降低了镀膜的难度。
7.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
8.一种分体式超导谐振腔，分体式超导谐振腔的本体由能够分开的至少两块分体块接合形成，至少两块分体块之间通过粘合接合、机械接合或者焊接接合。
9.至少两块分体块的每个分体块由铌材制造。
10.至少两块分体块的每个分体块由单晶铌材制造。
11.至少两块分体块的每个分体块由非铌导体制造再镀铌膜。
12.至少两块分体块的每个分体块由非铌导体制造再镀铌三锡膜。
13.至少两块分体块之间的分离缝隙沿着分体式超导谐振腔的表面束流方向。
14.至少两块分体块之间的缝隙不大于分体式超导谐振腔运行电磁波波长的0.3倍，以避免衍射。
15.分体式超导谐振腔的腔型为椭球型。
16.一种上述分体式超导谐振腔的制备方法，将分开的至少两块分体块通过粘合接合、机械接合或者焊接接合形成分体式超导谐振腔的本体。
17.将分体式超导谐振腔置于共真空恒温器或密闭的嵌套腔外壳中。
18.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
19.本发明把原有的单胞(cell)超导腔顺着表面电流的方向分成几块，降低了加工、后处理和镀膜的难度，节省了精细焊接费用，同时使小尺寸但导热、机械性能更好的单晶铌材用于制备超导腔成为可能。
20.本发明的超导谐振腔可由普通铌材制造，可以降低后处理、镀铌三锡难度；
21.本发明的超导谐振腔可由单晶铌材制造，可以使整体热导率和rf性能高；
22.本发明的超导谐振腔可由铜等常导体制造再镀铌膜、铌三锡膜，降低镀膜难度。
附图说明
23.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
24.在附图中：
25.图1显示tm010模式下的圆柱腔表面电流方向；
26.图2显示不同谐振频率的超导腔；
27.图3a显示普通腔内部区域的示意图，此尺寸腔的特征频率为1.2881ghz；
28.图3b显示tm010模式下的电场的示意图，此尺寸腔的特征频率为1.2881ghz；
29.图3c显示tm010模式下的磁场的示意图，此尺寸腔的特征频率为1.2881ghz；
30.图4a显示腔平均分成90块且每一块和对应的缝隙尺寸相同时(缝隙极大形况)内部区域的示意图；
31.图4b显示腔平均分成90块且每一块和对应的缝隙尺寸相同时(缝隙极大形况)tm010模式下的电场的示意图；
32.图4c显示腔平均分成90块且每一块和对应的缝隙尺寸相同时(缝隙极大形况)
superconductivity for particle accelerators”,june 2017.)；
50.图3a，图3b，图3c为现有技术普通1.3ghz腔内部区域的示意图(左)，尺寸约为直径209mm，高度410mm，在tm010模式下的电场(中)，和磁场(右)，模拟显示，此尺寸腔的实际特征频率为1.2881ghz。(注：此结果中磁场模最大值为0.46a/m，电场模236v/m为comsol默认设置计算结果。腔实际运行时，此二者的数值可调，和腔性质相关的仅为此二者的比例。此处比例为513.0v/a。)；
51.实施例1
52.分体式超导谐振腔由90块分体块接合形成，分体块之间的缝隙宽度约3.6mm，远超过切割再粘接的缝隙距离。
53.使用comsol的rf模块模拟结果如图4a，图4b，图4c和5所示。
54.图4a，图4b，图4c为分体式超导谐振腔被平均分成90块且每一块和对应的缝隙尺寸相同时(缝隙极大形况)内部区域的示意图(左)，tm010模式下的电场(中)，和磁场(右)，此尺寸分体式超导谐振腔由于有缝隙，其特征频率变为1.2851ghz。(注：此结果中磁场模最大值为1.94a/m，电场模817v/m为comsol默认设置计算结果。腔实际运行时，此二者的数值可调，与分体式超导谐振腔性质相关的仅为此二者的比例。此处比例为421.1v/a。)。
55.图5为缝隙处磁场放大视图，相邻的位置缝隙外和缝隙内数据对比，某腔内表面近处(在腔内为高磁场区)任一点x＝-1.3878e-17,y＝-0.016286,z＝0.094797处,其h＝1.4499a/m；某缝隙内靠近腔壁外边界任一点x＝1.3878e-17,y＝-0.022791，z＝0.10390处，其h＝0.055014a/m，较近表面处仍大幅降低。
56.模拟结果显示，块数多并且缝隙大，则对频率场强影响大，但仍可作为谐振腔使用。
57.实施例2
58.分体式超导谐振腔由2块分体块接合形成，分体块之间的缝隙尺寸约0.9mm，略大于现阶段技术切割后再粘接的缝隙距离。
59.使用comsol的rf模块模拟结果如图6a，图6b，图6c和图7所示。
60.图6a，图6b，图6c为腔平均分成2块且缝隙尺寸为0.5度(缝隙宽度约0.9mm)内部区域的示意图(左)，tm010模式下的电场(中)，和磁场(右)，此尺寸腔由于有缝隙，其特征频率变为1.288ghz，变动极小。(注：此结果中磁场模最大值为0.93a/m，电场模476v/m为comsol默认设置计算结果。腔实际运行时，此二者的数值可调，和腔性质相关的仅为此二者的比例。此处比例为511.8v/a。)
61.图7为缝隙处磁场放大视图，相邻的位置缝隙外和缝隙内数据对比，某腔内表面近处(在腔内为高磁场区)任一点x＝2.7756e-17,y＝-0.10197,z＝7.8692e-4处,其h＝0.79572a/m；某缝隙内靠近腔壁外边界任一点x＝-1.2447e-4,y＝-0.10614,z＝2.7756e-17处，其h＝1.5113e-4a/m，有大幅衰减。
62.模拟结果显示，块数少并且缝隙小，对频率场强影响小。
63.实施例3
64.分体式超导谐振腔由2块分体块接合形成，用铜腔进行实验。
65.使用comsol的rf模块模拟结果如图8和图9所示。
66.图8为无氧铜制的无束流管的铜腔，设计频率为3.9ghz，尺寸示意见图图10a和图
10b。左侧为完整腔，右侧为同一批加工的完整腔切两半用透明胶带固定，可见两条明显切缝(沿水平方向)。
67.图9a完整铜腔(对应图8中左边的腔)置于铝箔纸上，使用矢量网络分析仪(罗德与施瓦茨znd)测试的s11信号，测试得tm010模式谐振频率为3.53
±
0.1ghz。
68.图9b切两半铜腔用透明胶带固定后(对应图8中右边的腔)置于铝箔纸上，使用网络分析仪测试的s11信号，测试得tm010模式谐振频率为3.52
±
0.1ghz，与完整未切铜腔频率(图9)在误差范围内，未见明显变化。
69.模拟结果显示，仅仅是通过胶带简单固定，不用昂贵的焊接，也能实现谐振频率在误差范围内未见明显变化。
70.图10a是3.9ghz分体腔的前视图示意图，图10b是3.9ghz分体腔的等轴测图。示出，分两块的分体腔的一块分体腔1，直径为71.58mm。
71.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。