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大晶粒鈮材超導(dǎo)腔及其制造方法

文檔序號(hào):8024269閱讀:395來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:大晶粒鈮材超導(dǎo)腔及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于超導(dǎo)加速器技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及超導(dǎo)腔的設(shè)計(jì)制造。
背景技術(shù)
超導(dǎo)加速器是當(dāng)前加速器領(lǐng)域中研發(fā)與應(yīng)用的首選部件。超導(dǎo)加速器已成為直線對(duì)撞機(jī)、先進(jìn)輻射光源、自由電子激光、散裂中子源、放射性核素裝置等大科學(xué)工程的重要組成部分。
超導(dǎo)腔是超導(dǎo)加速器的核心器件。超導(dǎo)腔是射頻諧振腔,用于加速器上的超導(dǎo)腔可以稱其為射頻超導(dǎo)加速腔,簡(jiǎn)稱超導(dǎo)腔。其結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括一個(gè)橢圓形腔體1,在該腔體兩端口各連接一圓管(束管)2,圓管的另一端連接一法蘭3。一臺(tái)超導(dǎo)加速器是由大量的超導(dǎo)腔串組成,每個(gè)超導(dǎo)腔串由幾個(gè)超導(dǎo)腔焊接而成,如圖2為2腔體的超導(dǎo)腔串。
一臺(tái)性能優(yōu)異的超導(dǎo)加速器與射頻超導(dǎo)腔的加速性能相關(guān)。制造高性能的超導(dǎo)腔,其關(guān)鍵的指標(biāo)是超導(dǎo)腔內(nèi)的諧振電場(chǎng)強(qiáng)度Eacc和腔的品質(zhì)因數(shù)Q。Eacc越高,加速效率越高,從而可以縮短加速器長(zhǎng)度,降低造價(jià)。Q越高,表明在相同條件下,超導(dǎo)腔腔壁熱損耗越低,。一般來(lái)講,1.5GHz的純鈮超導(dǎo)腔經(jīng)過(guò)各種特殊處理后,其加速梯度Eacc可以達(dá)到20MV/m,Q值~109(2K溫度)。
超導(dǎo)腔目前基本都由純鈮或純鈮薄膜制成。20多年來(lái),國(guó)際上一直認(rèn)定采用均勻的、小粒度鈮材(晶粒粒度約60μm)制造超導(dǎo)腔是標(biāo)準(zhǔn)工藝,認(rèn)為這種工藝可以保證超導(dǎo)腔的性能。通過(guò)這些年的不懈努力,純鈮超導(dǎo)腔的品質(zhì)因素和加速梯度獲得了極大的提高,例如,1.5GHz純鈮超導(dǎo)腔的加速梯度由較早的6-7MV/m,達(dá)到目前的20MV/m左右。
目前制造均勻的、小粒度鈮材(晶粒粒度約60μm)超導(dǎo)腔的工藝方法包括以下步驟1、將冶煉后獲得的大晶粒鈮錠(采用純度高,雜質(zhì)元素C、N、H、O的含量要低于40ppm的產(chǎn)品,以確保超導(dǎo)腔對(duì)鈮材的極高品質(zhì)的要求)進(jìn)行開(kāi)坯、鍛打、交叉碾壓等工藝制成小晶粒鈮材板材,該過(guò)程確保對(duì)加工成板材后的晶粒粒度達(dá)到60μm大小,同時(shí)要嚴(yán)格控制在鍛打、碾壓過(guò)程中的潔凈度,不能有雜質(zhì)摻入高純鈮板中,制成的板材約300×300mm2,厚度2.8-3mm;再對(duì)板材做化學(xué)清洗;2、將鈮板材沖壓成型將鈮板材在硬鋁模具中壓成半腔形狀3、然后將兩半腔(或多個(gè)兩半腔)1與相應(yīng)孔徑的兩束管(采用已有的鈮管材)2、兩法蘭(采用已有的鈮鈦合金法蘭)3用電子束焊接一起,制成完整的超導(dǎo)腔。如圖1所示。在此過(guò)程中,要保證各個(gè)焊縫的平整與光潔度(7);4、后處理階段焊接好的小粒度鈮材超導(dǎo)腔的后處理工藝主要有以下步驟41)化學(xué)清洗與拋光(去掉約200nm),去掉機(jī)加工過(guò)程中可能帶來(lái)的污染;
42)熱處理超導(dǎo)腔置于鈦盒中,中心有鈦筒,互不不接觸,超高真空條件下(好于10-6乇),處理溫度為1200-1400℃,提高鈮材的超導(dǎo)性能;43)化學(xué)清洗與拋光去掉約100nm,超凈水(18MΩ/cm)沖洗(在100級(jí)潔凈條件下);44)電化學(xué)拋光,提高表面光潔度(達(dá)到10)(時(shí)間長(zhǎng),設(shè)備復(fù)雜、昂貴并在100級(jí)潔凈條件下);45)超凈高壓(80kg/cm2)水沖洗(100級(jí)潔凈條件)。
46)最后要在10級(jí)的潔凈室內(nèi)安裝超導(dǎo)腔及其配件。
上述小粒度鈮材超導(dǎo)腔最關(guān)鍵的是要將大晶粒鈮錠產(chǎn)品先進(jìn)行開(kāi)坯、鍛打、交叉碾壓等多道工藝制成小粒度鈮板,并還要進(jìn)行電化學(xué)拋光過(guò)程,從安裝到拋光至所需的光潔度,需要控制酸液的溫度及純度,為此溶液要循環(huán)過(guò)濾、降溫,隨時(shí)檢測(cè)酸液質(zhì)量及拋光速率,完成拋光后整個(gè)處理過(guò)程要幾天時(shí)間。一臺(tái)超導(dǎo)腔的電化學(xué)拋光設(shè)備約需投入300萬(wàn)美元。制造工藝復(fù)雜,成本高。
目前超導(dǎo)腔的研制熱點(diǎn)仍然是提高加速梯度,并尋找降低制造價(jià)格的途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處,提出一種大晶粒鈮材超導(dǎo)腔及其制造方法,采用現(xiàn)有的大晶粒鈮材,大大減少了晶界長(zhǎng)度,并改造傳統(tǒng)的制造工藝,不但可提高超導(dǎo)性能,獲得更高的加速梯度,而且使制造工藝簡(jiǎn)單,成本降低。
本發(fā)明提出的大晶粒超導(dǎo)腔,包括一個(gè)橢圓形鈮材腔體或一個(gè)以上橢圓形鈮材串接成的腔體,在該腔體兩端口各連接一束管,圓管的另一端連接一法蘭;其特征在于,所述的橢圓形鈮材腔體的鈮材壁板分布有多個(gè)直徑為厘米量級(jí)的大晶粒。
所述每個(gè)晶粒直徑約為5-7cm。
本發(fā)明提出的上述大晶粒超導(dǎo)腔的制造方法,其特征在于,包括以下步驟1、直接從冶煉好的大晶粒鈮錠產(chǎn)品切割鈮板,制成的板材直徑約250-300mm,厚度2.8-3mm;再對(duì)圓板材做化學(xué)清洗;2、將鈮板材沖壓成半腔形狀3、然后將兩半腔或多個(gè)兩半腔串接一起、兩端與相應(yīng)孔徑的兩束管、兩法蘭電子束焊接一起,制成完整的超導(dǎo)腔;4、上述超導(dǎo)腔的后處理階段41)化學(xué)清洗與拋光,去掉機(jī)加工切割過(guò)程中可能帶來(lái)的污染;42)熱處理在好于10-6乇的超高真空條件下,處理溫度為1200-1400℃,以提高鈮材的超導(dǎo)性能;43)化學(xué)清洗與拋光,超凈水(18MΩ/cm)沖洗(100級(jí)潔凈條件);(省略了電化學(xué)拋光工藝)44)在80kg/cm2的高壓、18MΩ/cm的超凈水中沖洗(100級(jí)潔凈條件)45)最后在10級(jí)的潔凈室內(nèi)安裝超導(dǎo)腔及其配件。
本發(fā)明的原理
本發(fā)明采用大晶粒鈮材(Φ250~300的鈮板內(nèi)分布有多個(gè)大晶粒,每個(gè)晶粒約5-7cm大小),將大大減少了晶界長(zhǎng)度,可以抑制晶界雜質(zhì)對(duì)超導(dǎo)表面性能的不良影響。從射頻超導(dǎo)原理上講,它的超導(dǎo)性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的大量小粒度(60μm)的板材。但是,由于它的機(jī)械性能和延展性有可能因各向異性對(duì)加工產(chǎn)生影響,一直沒(méi)有人采用大晶粒鈮板制造高性能超導(dǎo)腔。
基于大晶粒鈮板的優(yōu)點(diǎn),本發(fā)明采用常規(guī)的大晶粒高純鈮錠產(chǎn)品,省去了傳統(tǒng)制造工藝過(guò)程的將大晶粒鈮錠先進(jìn)行開(kāi)坯、鍛打、交叉碾壓等多道工藝制成小粒度鈮板及電化學(xué)拋光步驟,其它工藝步驟保持不變,即可得到性能優(yōu)異的超導(dǎo)腔。
本發(fā)明具有以下特點(diǎn)及效果采用大晶粒鈮材,可以從高純鈮錠上直接切片,省略了在制板過(guò)程中必須進(jìn)行的開(kāi)坯、鍛打、交叉碾壓等工藝過(guò)程,大大降低成板過(guò)程的成本(可以降低25%),節(jié)能、節(jié)電。
極大降低了成板工藝過(guò)程中對(duì)高純鈮板造成的污染,保證了高純鈮板的質(zhì)量,從而將大大提高鈮腔的微波性能。
由于超導(dǎo)腔采用大晶粒鈮板,可以省去電拋光工藝,簡(jiǎn)化費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢的后處理工藝,同時(shí)可以減少因電拋光引起的廢酸液處理。
通過(guò)同樣的加工與處理程序,大晶粒超導(dǎo)腔的加速梯度與品質(zhì)因素顯著的超過(guò)傳統(tǒng)的超導(dǎo)腔,在2K溫度下,1.5GHz大晶粒超導(dǎo)腔的加速梯度達(dá)到36.6MV/m,比小粒度的超導(dǎo)腔加速梯度高出約16MV/m。品質(zhì)因素自5×109提高到1×1010。加速梯度提高了50%以上。超導(dǎo)腔的性能獲得了突破性的改進(jìn)。
從上述可知,大晶粒超導(dǎo)腔在未來(lái)超導(dǎo)加速器的發(fā)展中,具有替代常規(guī)方法制造的超導(dǎo)腔趨勢(shì),這是一個(gè)極具發(fā)展前途的新技術(shù)。


圖1為單腔體超導(dǎo)腔的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為2腔體超導(dǎo)腔的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本實(shí)用新型的1.5GHz、1單元大晶粒超導(dǎo)腔的2K溫度下測(cè)得性能曲線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的大晶粒鈮材超導(dǎo)腔及其制造方法結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明如下本發(fā)明采用大晶粒鈮材制作的頻率為1.5ZHz的超導(dǎo)腔實(shí)施例,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。包括一個(gè)橢圓形腔體1,其橢球長(zhǎng)徑210mm,短徑114mm,其短徑兩端開(kāi)口直徑為70mm,橢圓形鈮材腔體的鈮材壁板內(nèi)分布有多個(gè)大晶粒,每個(gè)晶粒直徑范圍在5-7cm之間。在該腔體兩端口各連接一直徑70mm,長(zhǎng)110mm的鈮材圓管(束管)2,每個(gè)圓管的另一端連接一鈮鈦合金法蘭,法蘭的內(nèi)孔為70mm,外徑為140mm。
本實(shí)施例的制造方法具體包括以下步驟1、直接從現(xiàn)有的大晶粒鈮材鑄錠上切割成板材(要求雜質(zhì)元素C、N、H、O的含量要低于40ppm,鑄錠內(nèi)分布有多個(gè)大晶粒,每個(gè)晶粒直徑范圍一般在5-7cm,現(xiàn)有的高純度鈮材鑄錠均可使用),每塊大晶粒鈮板材的大小為直徑250mm,厚度2.8mm,再對(duì)表面經(jīng)過(guò)拋光處理(拋光去掉約80nm)(沒(méi)有開(kāi)坯、鍛打、交叉碾壓等工藝過(guò)程);2、將兩片大晶粒鈮材經(jīng)液壓成兩半腔形,機(jī)械加工上下端口的毛邊,對(duì)沖壓成形的半腔表面做拋光清洗處理3、選擇兩個(gè)相應(yīng)尺寸的鈮材圓管作為束管和兩個(gè)法蘭,再對(duì)各部件進(jìn)行電子束焊接(采用傳統(tǒng)工藝),先焊上束管與法蘭,然后兩半腔對(duì)焊,焊好后要檢查焊縫,如有不平處,需要進(jìn)一步拋光處理。這樣就完成了腔體的制作過(guò)程;4、接下來(lái)進(jìn)行后處理過(guò)程41)先要用化學(xué)拋光拋掉200nm的腔內(nèi)表面鈮層,化學(xué)拋光是用配比1∶1∶1的氫氟酸、硝酸、磷酸的混和液(光譜純)?;瘜W(xué)拋光后進(jìn)行去離子水的沖洗,這是在100級(jí)超凈間內(nèi)完成的;42)腔體控干水后進(jìn)行熟處理,熱處理爐溫度在1250℃,真空度為10-9乇,腔體外加鈦筒,內(nèi)有鈦管,互不不接觸,以提高鈮材的超導(dǎo)性能;43)經(jīng)過(guò)熟處理后的鈮腔,還需化學(xué)清洗與拋光,重復(fù)步驟41)的過(guò)程,只是拋掉的鈮厚度小于100nm,44)然后在80kg/cm2的高壓、18MΩ/cm的超凈水中沖洗(100級(jí)潔凈條件)。
45)將處理后的本實(shí)施例鈮腔在10級(jí)超凈室內(nèi)安裝至恒溫器的測(cè)試臺(tái)架上,進(jìn)行液氦溫度下的測(cè)試,1.5GHz超導(dǎo)腔的測(cè)試溫度低于2K。測(cè)試了三種條件,一是沒(méi)有高溫熟處理,僅化學(xué)清洗,加速梯度為26MV/m,品質(zhì)因素6×109。二是經(jīng)過(guò)1250℃熱處理,加速梯度提高至30MV/m,品質(zhì)因素6×109。三是經(jīng)過(guò)1250℃熱處理,并在恒溫器中進(jìn)行低溫烘烤(120℃)后再作低溫實(shí)驗(yàn),加速梯度達(dá)到36.6MV/m,品質(zhì)因素接近1010。在第三種情況,最后的失超點(diǎn)(quench)的出現(xiàn)是由于超導(dǎo)腔赤道(大園)處磁場(chǎng)超過(guò)最大極限引起的。如果腔的頻率降低,閾值會(huì)提高,梯度會(huì)進(jìn)一步提高。
上述三種情況如圖2所示,說(shuō)明如下方塊形曲線測(cè)試的超導(dǎo)腔未經(jīng)過(guò)高溫處理,完成了第二部分所述大晶粒超導(dǎo)腔的各個(gè)后處理工藝。測(cè)得性能超過(guò)小粒度板材超導(dǎo)腔,品質(zhì)因素提高,加速梯度由20MV/m提高至26MV/m。
三角形曲線進(jìn)行了1250℃的高溫處理,加速梯度進(jìn)一步提高至30MV/m。
菱形曲線在1250℃高溫處理的基礎(chǔ)上,超導(dǎo)腔安裝在恒溫器內(nèi),在超高真空條件下,進(jìn)行120℃的低溫烘烤,達(dá)到除氫目的。結(jié)果極好,品質(zhì)因素提高,加速梯度達(dá)到36.6MV/m。
權(quán)利要求
1.一種大晶粒超導(dǎo)腔,包括一個(gè)橢圓形鈮材腔體或一個(gè)以上橢圓形鈮材串接成的腔體,在該腔體兩端口各連接一束管,圓管的另一端連接一法蘭;其特征在于,所述的橢圓形鈮材腔體的鈮材壁板分布有多個(gè)直徑為厘米量級(jí)的大晶粒。
2.如權(quán)利要求1所述的大晶粒超導(dǎo)腔,其特征在于所述每個(gè)晶粒直徑為5-7cm。
3.一種大晶粒超導(dǎo)腔的制造方法,其特征在于,包括以下步驟1)直接從冶煉好的大晶粒鈮錠產(chǎn)品切割鈮板,制成的板材直徑約250-300mm,厚度2.8-3mm;再對(duì)圓板材做化學(xué)清洗處理;2)將鈮板材沖壓成半腔形狀3)將兩半腔或多個(gè)兩半腔串接一起兩端與相應(yīng)孔徑的兩束管、兩法蘭電子束焊接一起,制成完整的超導(dǎo)腔;4)后處理階段41)將所述超導(dǎo)腔進(jìn)行化學(xué)清洗與拋光處理,去掉機(jī)加工過(guò)程中可能帶來(lái)的污染;42)熱處理在好于10-6乇的超高真空條件下進(jìn)行熱處理,處理溫度為1200-1400℃,以提高鈮材的超導(dǎo)性能;43)再進(jìn)行化學(xué)清洗與拋光處理;44)在高壓超凈水中沖洗;45)最后在潔凈室內(nèi)安裝超導(dǎo)腔及其配件。
全文摘要
本發(fā)明涉及大晶粒鈮材超導(dǎo)腔及其制造方法,屬于核技術(shù)及應(yīng)用的加速器領(lǐng)域,本發(fā)明的超導(dǎo)腔包括連成一體的橢圓形鈮材腔體、束管及法蘭,該橢圓形鈮材腔體的鈮材壁板分布有多個(gè)直徑為厘米量級(jí)的大晶粒。本發(fā)明的制造方法包括直接從冶煉好的大晶粒鈮錠產(chǎn)品切割鈮板,再做化學(xué)清洗處理后;沖壓成半腔形狀將兩半腔或多個(gè)兩半腔串接一起、兩端與相應(yīng)孔徑的兩束管、兩法蘭電子束焊接一起,制成完整的超導(dǎo)腔;最后進(jìn)行化學(xué)清洗與拋光、熱處理、高壓超凈水中沖洗、安裝等后處理階段本發(fā)明極大的改進(jìn)了超導(dǎo)腔的加速性能,其表征是腔的品質(zhì)因素Q獲得明顯提高,加速梯度Eacc大幅度提高。簡(jiǎn)化了制作工藝,大幅降低了造價(jià)。具有極好的發(fā)展前景。
文檔編號(hào)H05H7/20GK1767718SQ20051011579
公開(kāi)日2006年5月3日 申請(qǐng)日期2005年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月11日
發(fā)明者趙夔, 張保澄, 王莉芳, 全盛文, 郝建奎, 陳佳洱 申請(qǐng)人:趙夔
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