CN113597081B - 一种在超导腔内部对锡源进行局部加热的方法 - Google Patents

一种在超导腔内部对锡源进行局部加热的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种在超导腔内部对锡源进行局部加热的方法。在超导腔内部对锡源进行局部加热的单电极直流结构包括：具有若干加速单元的超导腔，为Nb3Sn薄膜生长的衬底结构；一根加热电极，一端接正电极，另一端接负电极构成直流回路，贯通所述超导腔；锡源坩埚，所述超导腔的每一个加速单元内均放置有一个锡源坩埚，所述锡源坩埚位于所述加热电极上；温度热偶，用于测量所述超导腔内的温度。本发明能够对位于多加速单元超导腔内部的多个锡源进行局部加热，在每个加速单元内均实现超导腔与锡源的单独控温，使每一个加速单元均拥有相同的“超导腔‑锡源”温度组合，使超导腔与锡源单独控温的技术路线也能应用于高性能多加速单元Nb3Sn薄膜超导腔的研制，对Nb3Sn薄膜超导腔的工程化应用具有重要意义。

Description

一种在超导腔内部对锡源进行局部加热的方法
技术领域
本发明涉及一种在超导腔内部对锡源进行局部加热的方法，属于超导技术领域。
背景技术
Nb3Sn薄膜超导腔是下一代射频超导关键技术，其工程化应用将引起射频超导领域的技术革命。锡蒸汽扩散法在930℃以上的高温下，Sn原子以蒸汽的方式到达超导腔内表面，和Nb原子原位反应生成纯净、高质量的Nb3Sn薄膜。锡源的温度决定锡饱和蒸气压的大小，决定了Sn原子到达超导腔内表面的速率。超导腔的温度则决定着Sn原子向超导腔内表面扩散生成Nb3Sn薄膜的速率。只有Sn原子到达超导腔的速率和Sn原子向超导腔内表面扩散的速率匹配，才能够生成质量最好的Nb3Sn薄膜。因此，采用锡蒸汽扩散法研制Nb3Sn薄膜超导腔的过程中，对超导腔和锡源进行单独控温是获得高性能Nb3Sn薄膜超导腔的关键。
但是，当前超导腔与锡源的单独控温是通过将锡源放在超导腔外部，并对其进行局部加热来实现的。而对于含有多个加速单元(加速单元内含电磁场，使带电粒子加速增能，多个加速单元可以使带电粒子和电磁场相位保持同步，在一个超导腔内得到持续加速增能)的工程实用超导腔，如果继续把锡源放在超导腔外部进行局部加热，则受限于其较长的尺寸，锡蒸汽分压将随着与锡源距离的增加而快速降低，导致适合距离锡源更近的加速单元的“超导腔-锡源”温度组合并不适合距离锡源更远的加速单元。这是将锡源放在超导腔外部进行局部加热研制高性能多加速单元工程实用Nb3Sn薄膜超导腔不可克服的困难。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种在超导腔内部对锡源进行局部加热的方法及能够实现在超导腔内部对锡源进行局部加热的单电极直流结构。该结构在每一个加速单元内部均放置锡源，并且通过温控程序对每一个加速单元内部的锡源实现局部加热，使每一个加速单元均拥有合适的“超导腔-锡源”温度组合，从而解决多加速单元超导腔无法采用超导腔、锡源单独控温技术路线研制高性能Nb3Sn薄膜超导腔的难题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种在超导腔内部对锡源进行局部加热的单电极直流结构，包括：
一个具有若干加速单元的超导腔，所述超导腔为Nb3Sn薄膜生长的衬底结构；
一根加热电极，所述加热电极的一端接正电极，另一端接负电极构成直流回路，所述加热电极贯通所述超导腔；
锡源坩埚，所述超导腔的每一个加速单元内均放置有一个锡源坩埚，所述锡源坩埚为盛放锡金属颗粒的容器，所述锡源坩埚位于所述加热电极上；
温度热偶，用于测量所述超导腔内的温度。
其中，所述加热电极位于所述超导腔的轴线位置；
所述温度热偶位于所述超导腔的轴线位置；
所述超导腔采用金属铌加工而成；
所述金属铌的剩余电阻率≥40。
所述锡源坩埚采用剩余电阻率≥40的纯金属铌或者纯度达到99.95％的高纯金属钨加工而成；
所述锡源坩埚的数目与所述超导腔的加速单元的数目相同。
所述加热电极为横截面为“U”型槽的薄壁金属直杆；
所述加热电极采用剩余电阻率≥40的高纯金属铌或者纯度达到99.95％的高纯金属钨加工而成。
所述锡源坩埚由固定挡片限定在所述加热电极的U型槽内；工作时，所述锡源坩埚位于所述加速单元的中心位置；
所述固定挡片采用剩余电阻率≥40的纯金属铌或者纯度达到99.95％的高纯金属钨加工而成。
所述温度热偶能准确测量1200℃-1500℃高温；
所述温度热偶具体可为带钨保护管的钨铼热偶。
首尾两端的所述加速单元均通过超导腔束流管道法兰与工装法兰连接；
所述工装法兰的数量为两个，
两个所述工装法兰与所述加热电极和所述温度热偶穿墙对接，以提供支撑结构。
所述工装法兰采用剩余电阻率≥40的高纯金属铌或者纯度达到99.95％的高纯金属钨亦或铌钛合金加工而成；
所述工装法兰的尺寸由所述超导腔束流管道法兰决定；
所述工装法兰与所述超导腔束流管道法兰通过纯钨或纯铌紧固螺钉对接。
所述加热电极与所述工装法兰之间采用陶瓷套进行电隔离；
所述陶瓷套采用纯度达到99％的高纯陶瓷加工而成。
由于采用单根加热电极直流电阻加热，因此不同位置的锡源坩埚受到的局部加热情况相同，温度热偶的温度探头穿墙通过工装法兰测量位置紧靠第一个锡源坩埚即可。
总之，将直流加热电源的正极接到加热电极的一端，负极接到加热电极的另一端，所述锡源坩埚通过固定挡片限定在加热电极指定位置的U型槽内，直流电流流过加热电极，通过电阻发热而实现对锡源坩埚的局部加热。加热电源以温度热偶的实际测量温度为反馈，实现对薄壁锡源坩埚的指定温控加热。
采用上述单电极直流结构在超导腔内部对锡源进行局部加热的方法也属于本发明的保护范围。
与锡蒸汽扩散法现有的只能将锡源放在超导腔外部实现局部加热单独控温相比，本发明具有如下有益效果：本发明能够对位于多加速单元超导腔内部的多个锡源进行局部加热，在每个加速单元内均实现超导腔与锡源的单独控温，使每一个加速单元均拥有相同的“超导腔-锡源”温度组合，使超导腔与锡源单独控温的技术路线也能应用于高性能多加速单元Nb3Sn薄膜超导腔的研制，对Nb3Sn薄膜超导腔的工程化应用具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的在超导腔内部对锡源进行局部加热的单电极直流结构的示意图。其中1为超导腔，2为加热电极，3为锡源坩埚，4为温度热偶，5为固定挡片，6为工装法兰，1-1为超导腔加速单元，1-2为超导腔束流管道法兰。本图例中超导腔一共有6个加速单元，两个束流管道法兰，在本图例中带电粒子从6-1端口进入超导腔，被加速后从6-2端口离开超导腔。
图2为锡源距离加速单元50cm时，位于超导腔上、中、下位置的Nb3Sn薄膜厚度分布不均匀。
图3为锡源位于加速单元中心位置时，位于超导腔上、中、下位置的Nb3Sn薄膜厚度分布均匀。
图4验证锡源距离加速单元50cm与在加速单元中心对Nb3Sn薄膜厚度分布影响的示意图。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
本发明的结构示意图如图1所示，下面对在超导腔内部对锡源进行局部加热的单电极直流结构做详细介绍。
本图例中的超导腔1为具有6个加速单元1-1的650MHz椭球超导腔，腔主体采用剩余电阻率＞300的高纯金属铌加工而成，法兰采用铌钛合金加工而成，其中铌的质量百分比是45％。
加热电极2为一根横截面为“U”型槽的薄壁金属直杆，U型槽的厚度为1mm，所述U型槽加热电极2由纯度不低于99.95％的高纯金属钨加工而成，此处采用高纯金属钨是因为钨熔点高达3410℃，在1200℃-1500℃之间的高温下饱和蒸汽压极低，不会引入污染元素；加热电极2的长度由超导腔1的形状、尺寸决定，本图例中的U型槽加热电极2的长度为1340mm；为了使锡源坩埚3在超导腔1内部不会翻滚，本图例中的U型槽加热电极2横截面为17mmx15mm的矩形结构；所述的每个锡源坩埚3通过两个固定挡片5限定在加热电极U型槽内的指定位置；锡源坩埚3的数目与超导腔1的加速单元1-1个数相同，本图例中有六个锡源坩埚3，12个固定挡片5。
锡源坩埚3由剩余电阻率>300的高纯金属铌加工而成，采用金属铌加工的原因是金属铌和超导腔主体加工材料相同，且熔点高，不会引入污染元素；锡源坩埚3的数量为6个，每个锡源坩埚3内放入1-3g纯度不低于99.9995％的高纯金属锡粒；每个锡源坩埚3通过两个固定挡片5限定在加热电极U型槽内的指定位置。
温度热偶4用于实时测量超导腔1内被局部加热的薄壁锡源坩埚3的局部温度，本实施例中的温度热偶4采用钨铼热电偶，钨铼热电偶丝采用直径6mm的钨管包套保护，防止锡蒸汽吸附到钨铼热电偶丝影响测量准度；钨铼热电偶的探头紧靠第一个锡源坩埚3。
两个工装法兰6由纯度不低于99.95％的高纯金属钨加工而成，法兰6具体尺寸由超导腔束管法兰决定；在本实施例中，工装法兰6上加工有与束管法兰对接所需的直通孔，直通孔的数量为20个，沿圆周均布，直通孔的直径为8.8mm，工装法兰6与超导腔束流管道法兰1-2之间通过M8的纯钨紧固螺钉完成装配；两个工装法兰6加工有与单根直杆电极2和温度热偶4穿墙对接所需的穿墙孔，为单根直杆电极2和温度热偶4提供支撑结构；穿墙孔的位置需使单根直杆电极2和温度热偶4位于超导腔1轴线位置。
总之，将与工装法兰6-1、加热电极2和6个薄壁锡源坩埚3完成装配后穿过超导腔1；通过M8纯钨紧固螺钉完成工装法兰6-1与超导腔一端束管法兰之间的装配；完成加热电极2与工装法兰6-2的装配；通过M8纯钨紧固螺钉完成工装法兰6-2与超导腔另一端束管法兰之间的装配；将一根钨铼热电偶的探头通过工装法兰6-1的插孔插入超导腔1内部，热电偶4的探头紧靠第一个薄壁锡源坩埚3；将装配好的超导腔系统放入镀膜腔室，完成加热电源与加热电极之间的电连接、热电偶引线和钨铼热偶的电连接后，就可以关闭炉门，预抽真空，按照指定的工艺曲线加热镀膜。
图2为锡源距离加速单元50cm时(如图4所示)，位于超导腔上、中、下位置的Nb3Sn薄膜厚度分布不均匀。
图3为锡源位于本发明装置的加速单元中心位置时，位于超导腔上、中、下位置的Nb3Sn薄膜厚度分布均匀。

Claims (10)

1.一种在超导腔内部对锡源进行局部加热的单电极直流结构，包括：
一个具有若干加速单元的超导腔，所述超导腔为Nb3Sn薄膜生长的衬底结构；
一根加热电极，所述加热电极的一端接正电极，另一端接负电极构成直流回路，所述加热电极贯通所述超导腔；
锡源坩埚，所述超导腔的每一个加速单元内均放置有一个锡源坩埚，所述锡源坩埚为盛放锡金属颗粒的容器，所述锡源坩埚位于所述加热电极上；
温度热偶，用于测量所述超导腔内的温度。
2.根据权利要求1所述的单电极直流结构，其特征在于：所述加热电极位于所述超导腔的轴线位置；
所述温度热偶位于所述超导腔的轴线位置。
3.根据权利要求1或2所述的单电极直流结构，其特征在于：所述超导腔采用金属铌加工而成；
所述金属铌的剩余电阻率≥40。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的单电极直流结构，其特征在于：所述锡源坩埚采用剩余电阻率≥40的纯金属铌或者纯度达到99.95％的高纯金属钨加工而成；
所述锡源坩埚的数目与所述超导腔的加速单元的数目相同。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的单电极直流结构，其特征在于：所述加热电极为横截面为“U”型槽的薄壁金属直杆；
所述加热电极采用剩余电阻率≥40的高纯金属铌或者纯度达到99.95％的高纯金属钨加工而成。
6.根据权利要求5所述的单电极直流结构，其特征在于：所述锡源坩埚由固定挡片限定在所述加热电极的U型槽内；
所述固定挡片采用剩余电阻率≥40的纯金属铌或者纯度达到99.95％的高纯金属钨加工而成。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的单电极直流结构，其特征在于：所述温度热偶能准确测量1200℃-1500℃高温；
所述温度热偶具体可为带钨保护管的钨铼热偶。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的单电极直流结构，其特征在于：首尾两端的所述加速单元均通过超导腔束流管道法兰与工装法兰连接；
所述工装法兰的数量为两个，
两个所述工装法兰与所述加热电极和所述温度热偶穿墙对接，以提供支撑结构。
9.根据权利要求8所述的单电极直流结构，其特征在于：
所述工装法兰采用剩余电阻率≥40的高纯金属铌或者纯度达到99.95％的高纯金属钨或铌钛合金加工而成；
所述工装法兰的尺寸由所述超导腔束流管道法兰决定；
所述工装法兰与所述超导腔束流管道法兰通过纯钨或纯铌紧固螺钉对接；
所述加热电极与所述工装法兰之间采用陶瓷套进行电隔离；
所述陶瓷套采用纯度达到99％的高纯陶瓷加工而成。
10.一种采用权利要求1-9中任一项所述的单电极直流结构在超导腔内部对锡源进行局部加热的方法，包括：装配权利要求1-9中任一项所述的单电极直流结构，将装配好的超导腔系统放入镀膜腔室，完成加热电源与加热电极之间的电连接、温度热偶引线和温度热偶的电连接后，关闭炉门，预抽真空，加热镀膜。
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