CN111941001B - 一种大晶粒射频超导铌腔的制造方法 - Google Patents

一种大晶粒射频超导铌腔的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大晶粒射频超导铌腔的制造方法。其特点是，包括如下步骤：对熔炼后的圆柱形铌锭进行车床平端面，并加工外圆直径到需要的尺寸；将铌锭的2个端面中的一个定为正视基准A面并且将另一个面定为B面，在铌材铌锭的圆柱面侧面表面上，分别刻制3条平行于圆柱轴线的直线，记录为直线Ⅰ、直线Ⅱ、直线Ⅲ，该3条直线间的三间距弧线距离均不同并且任意两间距之差大于5mm。通过本发明的方法制造的1.3GHz9cell超导腔在经过后续的氮掺杂处理工艺后，由于晶界较少的特性，将有可能获得更好的品质因数Q值。

Description

一种大晶粒射频超导铌腔的制造方法
技术领域
本发明涉及一种大晶粒射频超导铌腔的制造方法。
背景技术
超导加速器是当前加速器领域中研发与应用的首选。超导加速器已成为直线对撞机、先进辐射光源、自由电子激光、散裂中子源、放射性核素装置等大科学工程的重要组成部分。超导腔是超导加速器的核心器件，超导腔是射频谐振腔，用于加速器上的超导腔可以称其为射频超导加速腔，简称超导腔。一台性能优异的超导加速器与射频超导腔的加速性能相关。制造高性能的超导腔，其关键的指标是超导腔内的谐振电场强度Eacc和腔的品质因数Q。Eacc越高，加速效率越高，从而可以缩短加速器长度，降低造价。品质因数Q越高，表明在相同条件下，超导腔腔热损耗越低。超导腔目前基本都由纯铌或纯铌薄膜制成，20多年来，国际上研究表明采用大晶粒铌材〈晶粒粒度约5-7cm)制造超导腔是提高超导腔品质因数Q是一种有效的方法，认为这种工艺可以保证超导腔的性能。通过这些年的不懈努力，纯铌超导腔的品质因素和加速梯度获得了极大的提高，例如，1.5GHz纯铌超导腔的加速梯度由较早的6-7MV/m，达到目前的20MV/m左右。
目前制造大晶粒铌材(晶粒粒度约5-7cm)超导腔的工艺方法包括以下步骤：l、直接从冶炼好的大晶粒铌锭沿垂直轴向的横截面切割出圆片，制成的圆片板材直径约250-300mm，厚度2.8-3mm；再对圆板材做化学清洗；2、将铌板材冲压成半腔形状；3、然后将两半腔或多个两半脏焊接一起、两端与相应孔径的束管、法兰采用电子束焊接到一起，制成完整的超导腔。
发明内容
本发明的目的是提供一种大晶粒射频超导铌腔的制造方法，能够可以获得赤道焊缝处晶界较少的1.3GHz9cell超导腔。
一种大晶粒射频超导铌腔的制造方法，其特别之处在于，包括如下步骤：
(1)对熔炼后的圆柱形铌锭进行车床平端面，并加工外圆直径到需要的尺寸；
(2)将铌锭的2个端面中的一个定为正视基准A面并且将另一个面定为B面，在铌材铌锭的圆柱面侧面表面上，分别刻制3条平行于圆柱轴线的直线，记录为直线Ⅰ、直线Ⅱ、直线Ⅲ，该3条直线间的三间距弧线距离均不同并且任意两间距之差大于5mm；
(3)对铌锭进行锯切，根据超导腔大晶粒铌圆片图纸尺寸，获得大晶粒铌圆片，每一片均为圆柱体厚度2-4mm，对相邻的铌圆片按照01#、02#、03#直至nm#的顺序依次标记，然后将每一个标记过的铌圆片2个端面中的一个定为A’面并且将另一个面定为B’面，在铌圆片的圆柱面侧面表面上，分别刻制3条平行于圆柱轴线的直线，记录为直线Ⅰ’、直线Ⅱ’、直线Ⅲ’，该3条直线间的三个间距的弧线距离均不同并且任意两个间距之差大于5mm；
(4)在半腔冲压工序，保持序号相邻的铌圆片的冲压方向为依次相反；
(5)在冲压前，对所有确定冲压时向下的面，刻划出连接圆心和边缘上直线I’、直线Ⅱ’、直线Ⅲ’点的刻痕连线，刻痕仍对应计直线I’、直线Ⅱ’、直线Ⅲ’；
(6)取标记为1#的铌圆片用长端半腔模具冲压，取标记为18#的铌圆片用短端半腔模具冲压，取标记为2#至17#的铌圆片采用中间半腔模具冲压；
(7)由标记为01#-18#的铌圆片组成的半腔进行机加工，并且在焊接前进行表面处理；
(8)取标记为2#-17#的铌圆片焊接哑铃，从标记为2#的铌圆片开始，序号相邻的2只铌圆片冲压半腔做为一组，焊接成为一个哑铃，将哑铃的编号依次记为23#、45#、67#、89#、1011#、1213#、1415#、1617#，在焊接前组装时，要求焊口上的标记刻划线I’、直线Ⅱ’、直线Ⅲ’相应对齐并且偏差小于0.5mm；
(9)将哑铃按照顺序号依次焊接，连接的顺序为保持序号相邻的连接在一起，得到哑铃组件，在焊接前组装时，要求焊口上的标记刻划线I’、直线Ⅱ’、直线Ⅲ’相应对齐并且偏差小于0.5mm；
(10)将哑铃组件和长端半腔，短端半腔分别焊接，保持标记为1#的铌圆片和标记为2#的铌圆片连接，标记为17#的铌圆片和标记为18#的铌圆片连接，在焊接前组装时要求焊口上的标记刻划线I’、直线Ⅱ’、直线Ⅲ’相应对齐并且偏差小于0.5mm；
(11)将焊接后的超导腔进行表面处理即可。
目前采用大晶粒铌材作为1.3GHz9cell超导腔的cell材料，是一种已知的制造超导腔的方法，而本发明提出了一种新的工艺组织方法，通过本方法制造的大晶粒铌材1.3GHz9cell超导腔，可以获得赤道焊缝处晶界较少的1.3GHz9cell超导腔。通过本发明的方法制造的1.3GHz9cell超导腔在经过后续的氮掺杂处理工艺后，由于晶界较少的特性，将有可能获得更好的品质因数Q值。
附图说明
附图1为采用本发明方法制造的超导腔低温测试结果图。
具体实施方式
本发明中大晶粒铌材是指通过电子束熔炼获得的高RRR铌锭，横截面上的晶粒个数少，晶粒尺寸大。通过高RRR铌锭横截面切割法得到的铌圆片为大晶粒铌材。晶界是指结构相同而取向不同晶粒之间的过渡界面成为晶界。在一个晶粒内部，原子周期性规则排列而产生的的晶体取向是一致的。在晶界面上，原子排列从一个取向过渡到另一个取向，故晶界处原子排列处于过渡状态。
现有技术没有系统考虑怎样充分利用大晶粒材料的群体特征来获得晶界尽量少的1.3GHz9cell超导腔。在大晶粒材料的制造过程中没有在材料上做出取向标记以及根据相邻依次关系的顺序号，在后续的制造过程中没有以减少焊接后晶界的数量为目标的优化选择半腔的冲压方向和焊接顺序的方法。
而本发明采用系统设计的方法，从大晶粒材料获取到1.3GHz9cell超导腔的半腔冲压时射频面的选择，半腔焊接为哑铃，哑铃依次焊接为多cell的焊接过程中连续追踪和利用大晶粒铌材在材料制造过程中标记的取向和顺序号，最终获得的1.3GHz9cell超导腔具有在各个cell上晶界少于现有技术获得的1.3GHz9cell超导腔的特征。
本发明中使用的英文缩写注释包括：mm-毫米；GHz-吉赫兹；cell-单元；iris：超导腔单元上的小孔。
实施例1：
一种大晶粒射频超导铌腔的制造方法，包括如下步骤：
(1)对熔炼后的圆柱形铌锭进行车床平端面，并加工外圆直径到需要的尺寸；
(2)将铌锭的2个端面中的一个定为正视基准A面并且将另一个面定为B面，在铌材铌锭的圆柱面侧面表面上，分别刻制3条平行于圆柱轴线的直线，记录为直线Ⅰ、直线Ⅱ、直线Ⅲ，该3条直线间的三间距弧线距离均不同并且任意两间距之差大于5mm；
(3)对铌锭进行锯切，根据超导腔大晶粒铌圆片图纸尺寸，获得大晶粒铌圆片，每一片均为圆柱体厚度2-4mm，对相邻的铌圆片按照01#、02#、03#直至nm#的顺序依次标记，然后将每一个标记过的铌圆片2个端面中的一个定为A’面并且将另一个面定为B’面，在铌圆片的圆柱面侧面表面上，分别刻制3条平行于圆柱轴线的直线，记录为直线Ⅰ’、直线Ⅱ’、直线Ⅲ’，该3条直线间的三个间距的弧线距离均不同并且任意两个间距之差大于5mm；
(4)在半腔冲压工序，保持序号相邻的铌圆片的冲压方向为依次相反；
(5)在冲压前，对所有确定冲压时向下的面，刻划出连接圆心和边缘上直线I’、直线Ⅱ’、直线Ⅲ’点的刻痕连线，刻痕仍对应计直线I’、直线Ⅱ’、直线Ⅲ’；
(6)取标记为1#的铌圆片用长端半腔模具冲压，取标记为18#的铌圆片用短端半腔模具冲压，取标记为2#至17#的铌圆片采用中间半腔模具冲压；
(7)由标记为01#-18#的铌圆片组成的半腔进行机加工，并且在焊接前进行表面处理；
(8)取标记为2#-17#的铌圆片焊接哑铃，从标记为2#的铌圆片开始，序号相邻的2只铌圆片冲压半腔做为一组，焊接成为一个哑铃，将哑铃的编号依次记为23#、45#、67#、89#、1011#、1213#、1415#、1617#，在焊接前组装时，要求焊口上的标记刻划线I’、直线Ⅱ’、直线Ⅲ’相应对齐并且偏差小于0.5mm；(说明：一只超导腔共需要18片大晶粒铌圆片，描述完成一只超导腔所有大晶粒铌圆片标识，在加工过程中超导腔有其它标识规则进行识别)
(9)将哑铃按照顺序号依次焊接，连接的顺序为保持序号相邻的连接在一起，得到哑铃组件，在焊接前组装时，要求焊口上的标记刻划线I’、直线Ⅱ’、直线Ⅲ’相应对齐并且偏差小于0.5mm；
(10)将哑铃组件和长端半腔，短端半腔分别焊接，保持标记为1#的铌圆片和标记为2#的铌圆片连接，标记为17#的铌圆片和标记为18#的铌圆片连接，在焊接前组装时要求焊口上的标记刻划线I’、直线Ⅱ’、直线Ⅲ’相应对齐并且偏差小于0.5mm；
(11)将焊接后的超导腔进行表面处理即可。

Claims (1)

1.一种大晶粒射频超导铌腔的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对熔炼后的圆柱形铌锭进行车床平端面，并加工外圆直径到需要的尺寸；
(2)将铌锭的2个端面中的一个定为正视基准A面并且将另一个面定为B面，在铌材铌锭的圆柱面侧面表面上，分别刻制3条平行于圆柱轴线的直线，记录为直线Ⅰ、直线Ⅱ、直线Ⅲ，该3条直线间的三间距弧线距离均不同并且任意两间距之差大于5mm；
(3)对铌锭进行锯切，根据超导腔大晶粒铌圆片图纸尺寸，获得大晶粒铌圆片，每一片均为圆柱体厚度2-4mm，对相邻的铌圆片按照01#、02#、03#直至nm#的顺序依次标记，然后将每一个标记过的铌圆片2个端面中的一个定为A’面并且将另一个面定为B’面，在铌圆片的圆柱面侧面表面上，分别刻制3条平行于圆柱轴线的直线，记录为直线Ⅰ’、直线Ⅱ’、直线Ⅲ’，该3条直线间的三个间距的弧线距离均不同并且任意两个间距之差大于5mm；
(4)在半腔冲压工序，保持序号相邻的铌圆片的冲压方向为依次相反；
(5)在冲压前，对所有确定冲压时向下的面，刻划出连接圆心和边缘上直线I’、直线Ⅱ’、直线Ⅲ’点的刻划线，刻划线仍对应记直线I’、直线Ⅱ’、直线Ⅲ’；
(6)取标记为1#的铌圆片用长端半腔模具冲压，取标记为18#的铌圆片用短端半腔模具冲压，取标记为2#至17#的铌圆片采用中间半腔模具冲压；
(7)由标记为01#-18#的铌圆片组成的半腔进行机加工，并且在焊接前进行表面处理；
(8)取标记为2#-17#的铌圆片焊接哑铃，从标记为2#的铌圆片开始，序号相邻的2只铌圆片冲压半腔做为一组，焊接成为一个哑铃，将哑铃的编号依次记为23#、45#、67#、89#、1011#、1213#、1415#、1617#，在焊接前组装时，要求焊口上的标记刻划线为直线I’、直线Ⅱ’、直线Ⅲ’相应对齐并且偏差小于0.5mm；
(9)将哑铃按照顺序号依次焊接，连接的顺序为保持序号相邻的连接在一起，得到哑铃组件，在焊接前组装时，要求焊口上的标记刻划线为直线I’、直线Ⅱ’、直线Ⅲ’相应对齐并且偏差小于0.5mm；
(10)将哑铃组件和长端半腔，短端半腔分别焊接，保持标记为1#的铌圆片和标记为2#的铌圆片连接，标记为17#的铌圆片和标记为18#的铌圆片连接，在焊接前组装时要求焊口上的标记刻划线为直线I’、直线Ⅱ’、直线Ⅲ’相应对齐并且偏差小于0.5mm；
(11)将焊接后的超导腔进行表面处理即可。
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