CN113385895B - 一种高稳定铌基超导加速腔及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高稳定铌基超导加速腔，包括使用高纯铌‑无氧铜复合板材(简称铜铌复合板)通过合适的冲压模具制作出所需要的冲压件；通过机械与化学方法去除铜铌复合冲压件上焊缝附近的无氧铜；采用电子束焊接把铜铌复合冲压件以及纯铌束管焊接在一起形成一个腔体；铜铌复合腔焊缝处补铜。本发明方法可在保证铜铌复合超导腔射频性能的前提下，显著提高超导腔的机械稳定性和热稳定性，尤其适合超导加速器的长时间连续稳定运行。

Description

一种高稳定铌基超导加速腔及其制备方法

技术领域

本发明属于粒子加速器技术领域，具体涉及一种具有高机械稳定性、高热稳定性、高射频性能的铜铌复合厚壁加速腔制造方法，特别涉及射频超导加速腔(简称超导腔) 的制造方法。

背景技术

加速器在科研、能源、国防、医疗等领域发挥着重要作用，是一个国家综合国力 的体现。得益于超导态下极低的表面电阻，当前国内外在建、筹建及计划中的加速器 前沿领域重大项目都将射频超导技术作为首选方案。射频超导腔是超导加速器的核心 部件，对带电粒子进行加速。目前，超导腔主要采用RRR(剩余电阻率)～300的高纯 铌材制造。从1968年首次采用纯铌加工超导腔后，经过50多年的腔型优化设计、制 造加工工艺水平、超导腔后处理工艺水平发展，纯铌超导腔的射频性能得到显著提升， 纯铌超导腔的应用范畴也涵盖了β(相对论速度)从～0.05到1的各种带电粒子。

但是，纯铌超导腔的应用也存在着比较严重的问题。受限于铌材较低的导热能力，纯铌超导腔都是由厚度为3-4mm的高纯铌板加工而成，这样的薄壁结构机械稳定性和 热稳定性较差，容易导致纯铌超导腔因氦压波动、洛伦兹失谐、颤噪等因素而出现频 率失谐，也容易导致纯铌超导腔因缺陷、二次电子倍增效应、场致发射效应而出现热 失超。该问题将限制当前和未来高能量、高流强射频超导加速器的稳定运行及其应用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有高机械稳定性、高热稳定性、高射频性能的铜铌复合厚壁超导腔制备方法，解决纯铌超导腔机械稳定性、热稳定性差， 无法满足超导加速器稳定运行的难题。

为实现上述目的，本发明拟采取以下技术方案：

一种铜铌复合厚壁超导腔的制备方法，包括下述步骤：

1)采用厚度为0.5-2.0mm、RRR>300的高纯铌材与高纯无氧铜(OFHC)的复合 板材料，通过冲压模具制作出所需形状的超导腔用的腔体零件；

2)采用RRR>300的高纯铌材，通过冲压模具制作出所需形状的束管；

3)采用铌钛合金材料，用车床加工出与所述束管对接的法兰；

4)用车床将步骤1)制备的铜铌复合腔体零件焊缝附近无氧铜层进行机械剥离，直到焊缝附近的铜铌复合板厚度被剪薄至直到焊缝附近的铜被完全去除；

5)用超声清洗装置，对经步骤2)、步骤3)和步骤4)完成的部件进行超声清洗， 清洗时间不少于30分钟；

6)将质量浓度不大于30％的硝酸溶液置入平底容器，所述硝酸溶液的液面高度不高于铜铌复合腔体零件焊缝附近的去铜宽度；将步骤5)中的铜铌复合腔体零件去 铜部分放置于所述硝酸溶液中进行化学清洗，去除剪薄后焊缝附近可能的残铜；

7)将步骤6)中化学清洗后的铜铌复合零件进行超声清洗；

8)将混合酸液置入平底容器，所述混合酸液的液面高度不高于铜铌复合腔体零件焊缝附近的去铜宽度；再将步骤7)清洗后的铜铌复合零件焊缝附近去铜部分放置于 所述混合酸液中进行化学清洗；其中，所述混合酸液由质量分数40％的氢氟酸、质量 分数65％的硝酸、质量分数85％的磷酸依次按照1：1：2的体积比组成；

9)将步骤2)的纯铌束管整体放入混合酸液中进行化学清洗，其中，所述混合酸 液由质量分数40％的氢氟酸、质量分数65％的硝酸、质量分数85％的磷酸依次按照1： 1：2的体积比组成；

10)用电阻率不小于18MΩ·cm的超纯水分别清洗步骤8)、步骤9)中完成的零 件，并在优于1000级的洁净间中晾干；

11)利用真空电子束焊机将步骤5)清洗后的铌钛法兰、步骤10)处理后的纯铌 束管、铜铌复合零件进行焊接，得到铜铌复合腔；

12)对步骤11)得到的铜铌复合腔进行真空检漏，确保每道焊缝均无漏点；

13)将检漏后的铜铌复合腔用超声清洗并晾干；

14)对铜铌复合腔焊缝位置处的铜凹槽进行无氧铜填补，并修磨平整，即得所述铜铌复合厚壁加速腔。

上述方法步骤1)中，高纯铌-无氧铜复合板材中铌板的厚度为0.5-2.0mm，无氧 铜板厚度为6-12mm(进一步可为10-12mm)。

本发明中所使用的厚度为0.5-2.0mm、RRR>300的高纯铌材与高纯无氧铜(OFHC)的复合板材料可参照CN201811596667.7中的方法制备得到。

上述方法步骤3)中，所述铌钛合金中材料中钛质量含量20％-60％。

上述方法步骤5)中，所述超声清洗采用的清洗介质为超纯水；所述超声波清洗 的清洗时间不少于30分钟。所述超声清洗的超声功率密度为25-35W/gal。

上述方法步骤6)中，所述化学清洗的过程中酸温控制在25℃以内，化学清洗的 时间可为30-60分钟。

上述步骤8)中，所述化学清洗的过程中酸温控制在25℃以内，化学清洗的时间 可为10-40分钟。

上述步骤9)中，所述化学清洗的过程中酸温控制在25℃以内，化学清洗的时间 可为10-40分钟。

上述方法步骤11)中，所述真空电子束焊机的工作电压为60KV，工作电流为 5-15mA。

上述方法步骤11)中，对超导腔各部件焊接时候，需要加工合适的工装把各个部件连接在一起，且和目前的纯铌超导腔部件焊接连接的工装设计规范相同。

上述方法步骤11)中，先将所述纯铌束管与铌钛法兰焊接在一起，再将所述纯铌束管与铜铌复合零件焊接在一起，最后把各个铜铌复合零件焊接在一起。

上述方法步骤13)中，所述超声清洗采用的清洗介质为超纯水，所述超声波清洗采用超声波清洗液，每升超纯水加入10-20ml超声清洗液，所用超声清洗液一般为 Micro-90或者Citranox亦或Liqui-Nox，所述超纯水水温为50-60℃(优选55℃)，所 述超声波清洗的时间为30-60分钟。所述超声波清洗的功率密度为25-35W/gal。

上述方法步骤14)中，所述无氧铜填补的方法可通过钎焊补铜。

所述钎焊补铜，步骤如下：

①把焊接完成的铜铌复合腔放入超声清洗容器进行超声清洗，清洗时间不少于40分钟，目的是清除焊缝处的可能油污；

②根据需补铜区域的尺寸加工合适尺寸的无氧铜环，制定合适的工装把无氧铜环及银铜钛钎料(银含量不低于75％)填充进焊缝处的沟槽；

③将上述铜铌复合腔放入氢炉内，在氢气气氛下，退火温度为800-900℃条件下，退火8小时，使银铜钛钎料均匀填充在焊缝与无氧铜环之间的缝隙内，完成本发明对 铜铌复合超导腔的制造。

本发明中RRR值表示剩余电阻率比值，是指高纯铌材300K环境下电阻率与4K 环境下电阻率比值。

与纯铌超导腔相比，本发明的具有以下优点：1.本发明所采用复合板中的铌材是RRR>300的高纯铌材，因此本发明铜铌复合腔的射频性能可以达到纯铌超导腔水平； 2.本发明所采用复合板的高纯无氧铜厚度可达6-12mm，因此本发明铜铌复合腔属于 厚壁结构，相比于目前纯铌超导腔3-4mm的薄壁结构，本发明的铜铌复合腔具有更好 的机械稳定性，可以有效隔绝超导腔对颤噪、洛伦兹失谐、He压波动引起的频率失谐 等因素的影响，为超导加速器的持续稳定运行提供良好的保障；3.本发明所采用复合 板高纯铌厚度只有0.5-2.0mm之间，比目前纯铌超导腔的3-4mm明显更薄，且高纯无 氧铜在低温下的热导能力比高纯铌高约一个量级，可以更加快速的将超导腔内的发热 传导到液氦，因此本发明的铜铌复合腔具有比当前纯铌超导腔更好的热稳定性，为超 导腔工作于更高的梯度提供先决条件；4.RRR>300的高纯铌材价格是高纯无氧铜的 ～50倍，本发明的铜铌复合腔大幅度节省高纯铌材的使用，可以降低超导腔造价，尤 其适合应用于以超导加速器为依托的大科学装置。

可见，本发明制备的铜铌复合超导腔具有纯铌超导腔无法比拟的优势，的确是一种极具发展前途与应用前景的新技术。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为铜铌复合椭球超导腔的结构分解及焊接示意图，其中，1-法兰1、2-束管1、3-铜铌复合冲压零件1、4-铜铌复合冲压零件1、5-束管2、6-法兰2、7-法兰与束管之 间的焊缝、8-束管与铜铌复合零件之间的焊缝；9-铜铌复合零件之间的焊缝。

图3为铜铌复合椭球超导腔补铜后的整体示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的铜铌复合超导腔需要把整个腔体拆解为多个零件，进行单独加工，再通过焊接组装配合在一起，形成一个完整的加速结构。另外，本发明采用复合超导材料， 为了不影响超导材料的物性以及顺利加工，需要对各部分加工零件进行超声清洗和化 学处理等操作。下面结合附图与实施例对本发明进行详细描述。

下述实施例中使用的“高纯铌-无氧铜复合板材”可参照CN201811596667.7中实施例2的方法制备得到。

下述实施例中使用的RRR值大于300、厚度为3-4mm的高纯铌板和铌钛合金材 料购自宁夏东方超导科技公司或者西北有色金属研究院。

实施例1、制备铜铌复合厚壁加速腔

一、高纯铌-无氧铜复合板材的机械冲压阶段，此阶段是为了通过机械冲压、机械加工，制造铜铌复合腔体拆解后的各个零件，包括以下步骤：

①制造出所需铜铌复合超导腔拆解后零件所对应的模具，纯铌零件的模具采用7075铝合金制造，铜铌复合零件的模具采用不锈钢制造。

②采用由RRR(剩余电阻率比值，表征材料的纯度)值大于300与高纯无氧铜(OFHC)研制而成的铜铌复合板，通过步骤①中的不锈钢模具冲压制作出铜铌复合 腔体零件。

③采用由RRR值大于300、厚度为3-4mm的高纯铌板，通过步骤①中的7075太 空铝模具冲压制作出束管纯铌零件。

④采用铌钛合金材料，用车床加工出与束管对接的法兰。

二、铜铌复合零件焊缝附近的去铜处理，此阶段是为整腔焊接做准备，包括以下步骤：

①用车床将铜铌复合腔体零件焊缝附近5-12mm宽度范围内的无氧铜层进行机械剥离，直至焊缝附近的铜铌复合板厚度被剪薄至直至焊缝附近的铜被完全去除。

②用超声清洗装置，对完成无氧铜层机械剪薄的零件进行超声清洗，清洗时间不少于40分钟。

③将质量浓度不大于30％的硝酸溶液置入平底容器，液面高度不高于铜铌复合腔体零件焊缝附近去铜宽度，将清洗后的铜铌复合零件焊缝附近去铜部分浸泡在硝酸溶 液中进行化学清洗，清洗时间为30分钟，目的是去除剪薄后焊缝附近可能的残铜。

④将化学清洗完成的铜铌复合零件放入超声清洗容器进行清洗，清洗时间不少于40分钟，目的是去除挥发到铜铌复合零件上的微量硝酸，防止腐蚀无氧铜。

⑤将由氢氟酸(质量分数40％)、硝酸(质量分数65％)、磷酸(质量分数85％) 按1：1：2体积比组成的混合酸液置入平底容器，液面高度不高于铜铌复合腔体零件 焊缝附近去铜宽度，将步骤④超声清洗后的铜铌复合零件焊缝附近去铜部分浸泡在混 合酸液中进行化学清洗，化学清洗的酸温控制在20℃以内，清洗时间10-40分钟，目 的是进一步去除焊缝附近的可能污染，保证焊接质量。

⑥用超声清洗装置对冲压、车床加工好的纯铌零件和铌钛法兰进行超声清洗，清洗时间不少于40分钟。

⑦将超声清洗后的纯铌零件整体放入由氢氟酸(质量分数40％)、硝酸(质量分 数65％)、磷酸(质量分数85％)按1：1：2体积比组成的混合酸液中进行化学清洗， 化学清洗的酸温控制在20℃以内，清洗时间为10-40分钟，目的是进一步去除焊缝附 近的可能污染，保证焊接质量。

⑧用电阻率不小于18MΩ·cm的超纯水清洗经步骤⑤、步骤⑦中完成的零件，并在优于1000级的洁净间中晾干。

三、铜铌复合腔的电子束焊接阶段，利用真空电子束焊机对上述步骤⑧完成的零件进行电子束焊接，真空电子束焊机的工作电压为60KV，电子束流强为5-15mA，焊 接包括以下步骤：

①把纯铌束管与铌钛法兰焊接在一起；

②把纯铌束管与铜铌复合零件焊接在一起；

③把铜铌复合零件焊接在一起。

四、铜铌复合腔焊缝处的补铜阶段，此阶段是为了把焊缝附近被除掉的无氧铜补上，完成最后的加工，保证铜铌复合腔的高机械稳定性与高热稳定性，补铜阶段包括 两个方法，如下所示：

补铜方法1：通过钎焊补铜，步骤如下：

①把焊接完成的铜铌复合腔放入超声清洗容器进行超声清洗，清洗时间不少于40分钟，目的是清除焊缝处的可能油污；

②根据需补铜区域的尺寸加工合适尺寸的无氧铜环，制定合适的工装把无氧铜环及银铜钛钎料(银含量不低于75％)填充进焊缝处的沟槽；

③将上述铜铌复合腔放入氢炉内，在氢气气氛下，退火温度为800-900℃条件下，退火8小时，使银铜钛钎料均匀填充在焊缝与无氧铜环之间的缝隙内，完成本发明对 铜铌复合超导腔的制造。

对上述方法制备的铜铌复合超导腔的性能进行测试：

洛伦兹失谐系数的定义为：由于腔内磁场与腔壁上的电流相互作用产生的力，作用在腔壁上，使腔壁产生形变，从而使超导腔发生频率偏移。

具体的测量方法为：在低温下保持超导腔周围液氦的氦压不变，增大超导腔内的场强，则超导腔的频率变化随超导腔内部场强的比值即为洛伦兹失谐系数。

本实施例中1.3GHz single cell铜铌复合椭球超导腔的洛伦兹失谐系数为 -0.2328Hz/(MV/m)²，3mm壁厚的1.3GHz single cell纯铌椭球超导腔的洛伦兹失谐系数为-2.7182Hz/(MV/m)²。

按照此方法研制的1.3GHz single cell铜铌复合椭球超导腔的洛伦兹失谐系数比 3mm壁厚的1.3GHz single cell纯铌椭球超导腔低11倍，体现出明显的高机械稳定性；无氧铜在4.2K下的热导比相同条件下的高纯铌高一个量级，表现出明显的热稳定优势； 本方法研制的铜铌复合超导腔内表面是高纯铌块材，具有和高纯铌超导腔一样的高射 频性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替 换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高稳定铌基超导加速腔的制备方法，包括下述步骤：

1）采用RRR>300的高纯铌材与高纯无氧铜的复合板材料，通过冲压模具制作出所需形状的加速腔用的腔体零件；

2）采用RRR>300的高纯铌材，通过冲压模具制作出所需形状的束管；

3）采用铌钛合金材料，用车床加工出与所述束管对接的法兰；

4）用车床将步骤1）制备的铜铌复合腔体零件焊缝附近无氧铜层进行机械剥离，直到焊缝附近的铜铌复合板厚度被剪薄至焊缝附近的铜被完全去除；

5）用超声清洗装置，对经步骤2）、步骤3）和步骤4）完成的部件进行超声清洗，清洗时间不少于40分钟；

6）将质量浓度不大于30%的硝酸溶液置入平底容器，所述硝酸溶液的液面高度不高于铜铌复合腔体零件焊缝附近的去铜宽度；将步骤5）中的铜铌复合腔体零件去铜部分放置于所述硝酸溶液中进行化学清洗，去除剪薄后焊缝附近的残铜；

7）将步骤6）中化学清洗后的铜铌复合零件进行超声清洗；

8）将混合酸液置入平底容器，所述混合酸液的液面高度不高于铜铌复合腔体零件焊缝附近的去铜宽度；再将步骤7）清洗后的铜铌复合零件焊缝附近去铜部分放置于所述混合酸液中进行化学清洗；其中，所述混合酸液由质量分数40%的氢氟酸、质量分数65%的硝酸、质量分数85%的磷酸依次按照1：1：2的体积比组成；

9）将步骤2）的纯铌束管整体放入混合酸液中进行化学清洗，其中，所述混合酸液由质量分数40%的氢氟酸、质量分数65%的硝酸、质量分数85%的磷酸依次按照1：1：2的体积比组成；

10）用电阻率不小于18MΩ•cm的超纯水分别清洗步骤8）、步骤9）中完成的零件，并在优于1000级的洁净间中晾干；

11）利用真空电子束焊机将步骤5）清洗后的铌钛法兰、步骤10）处理后的纯铌束管、铜铌复合零件进行焊接，得到铜铌复合腔；

12）对步骤11）得到的铜铌复合腔进行真空检漏，确保每道焊缝均无漏点；

13）将检漏后的铜铌复合腔用超声清洗并晾干；

14）对铜铌复合腔焊缝位置处的铜凹槽进行无氧铜填补，并修磨平整，即得所述高稳定铌基超导加速腔。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1）中，高纯铌-无氧铜复合板材中铌板的厚度为0.5-2.0mm，无氧铜板厚度为6-12mm。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤3）中，所述铌钛合金中材料中钛质量含量20%-60%。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤5）中，所述超声清洗采用的清洗介质为超纯水；所述超声波清洗的清洗时间不少于30分钟；所述超声清洗的超声功率密度为25-35W/gal。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤6）中，所述化学清洗的过程中酸温控制在25℃以内，化学清洗的时间为30-60分钟；

所述步骤8）中，所述化学清洗的过程中酸温控制在20℃以内，化学清洗的时间为10-40分钟；

所述步骤9）中，所述化学清洗的过程中酸温控制在20℃以内，化学清洗的时间为10-40分钟。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤11）中，所述真空电子束焊机的工作电压为60KV，工作电流为5-15mA。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤11）中，先将所述纯铌束管与铌钛法兰焊接在一起，再将所述纯铌束管与铜铌复合零件焊接在一起，最后把各个铜铌复合零件焊接在一起。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤13）中，所述超声清洗采用的清洗介质为超纯水；所述超声波清洗的清洗时间为30-60分钟；所述超声清洗的超声功率密度为25-35W/gal。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤14）中，所述无氧铜填补的方法可通过钎焊补铜。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述钎焊补铜，其步骤如下：

①把焊接完成的铜铌复合腔放入超声清洗容器进行超声清洗，清洗时间不少于40分钟；

②根据需补铜区域的尺寸加工合适尺寸的无氧铜环，制定合适的工装把无氧铜环及银铜钛钎料（银含量不低于75%）填充进焊缝处的沟槽；

③将上述铜铌复合腔放入氢炉内，在氢气气氛下，退火温度为800-900℃条件下，退火8小时，使银铜钛钎料均匀填充在焊缝与无氧铜环之间的缝隙内。

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