CN114051310A - 一种利用铜铌复合结构板制作超导腔的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用铜铌复合结构板制作超导腔的方法，包括以下步骤：1)取若干块铜铌复合材料板进行退火处理；2)对根据腔体形状和尺寸对各铜铌复合材料板进行冲压成型；3)切除各铜铌复合材料板端部处于待焊接位置的铜层；4)将各铜铌复合材料板对接形成腔体，然后在合缝处进行电子束焊接及打磨；5)在腔体外表面切割形成的豁口处，以纯铜粉为材料，采取喷粉的方式进行3D打印，然后进行打磨处理，确保腔体外表面平整、无缝隙；6)对腔体的内表面进行清洗，完成超导腔的制作。该方法制作的超导腔具有机械性稳定、低温下热传导性能优异、成本低、加速梯度较高的特点。

Description

一种利用铜铌复合结构板制作超导腔的方法
技术领域
本发明涉及一种制作超导腔的方法，具体涉及一种利用铜铌复合结构板制作超导腔的方法。
背景技术
射频超导加速腔是超导电子加速器的核心部件，具有加速电压高、束流阻抗小、可连续波加速和运行费用低等优势，现已被广泛应用于各类高能加速器和和光源装置。射频超导腔的理想超导材料应该具备低的表面电阻、高的临界温度和临界磁场。铌是具有较高临界温度(Tc＝9.2K)的第Ⅱ类超导体。目前，国内外制作铌材超导腔的技术路线主要有两条，分别是高纯铌超导腔和铜铌溅射超导腔。高纯铌超导腔的加速梯度比较高，过年来经过电抛光、掺氮、中温烘烤等多种后处理工艺手段的研发改进，加速梯度和品质因数有了进一步提高，国际上目前高纯铌超导腔加速梯度Eacc最高可达59MV/m，其缺点是其机械稳定性较低，在低温下(2K)热传导性能较差，且价格较昂贵；铜铌溅射镀膜超导腔具有机械稳定性高，低温下热传导性能远大于纯铌等优点，但其加速梯度稍低(约10～20MV/m)，且由于其薄膜结构，后处理手段受限。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种利用铜铌复合结构板制作超导腔的方法，该方法制作的超导腔具有机械性稳定、低温下热传导性能优异、成本低、加速梯度较高的特点。
为达到上述目的，本发明所述的利用铜铌复合结构板制作超导腔的方法包括以下步骤：
1)取若干块铜铌复合材料板进行退火处理；
2)根据腔体形状和尺寸对各铜铌复合材料板进行冲压成型；
3)切除各铜铌复合材料板端部处于待焊接位置的铜层；
4)将各铜铌复合材料板对接形成腔体，然后在合缝处进行电子束焊接及打磨；
5)将腔体放入3D打印设备中，以纯铜粉为材料，采取喷粉的方式在腔体外表面(铜层)的豁口处进行“填充式”打印，然后进行打磨处理，确保腔体外表面平整、无缝隙；
6)对腔体的内表面进行清洗，得超导腔。
步骤1)的具体操作为：
取两块铜铌复合材料板，再进行超声波清洗，然后放入真空高温炉中进行退火处理，其中，退火温度为600℃，退火时间为5～10h。
步骤2)的具体操作为：
将铜铌复合材料板放入模具中，根据1.3GHz单cell超导腔的尺寸进行冲压及拉伸处理，以形成两个大小相同、能够翻转扣合的碗状结构。
步骤3)中切除的铜层宽度为0.5～1cm。
步骤5)中，利用3D金属打印设备在腔体外表面(铜层)的豁口处以纯铜粉为材料进行喷粉打印。
步骤5)与步骤6)之间还包括：对腔体的外表面进行除毛刺打磨。
步骤6)中对腔体的内表面采用高压水清洗、化学抛光、电抛光或离子溅射抛光的方式进行清洗。
步骤6)的具体操作为：对腔体的内表面进行清洗，再对腔体进行掺氮处理，完成超导腔的制作。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的利用铜铌复合结构板制作超导腔的方法在具体操作时，采用铜铌复合材料板制作超导腔，既保留纯铌超导腔优异的电磁性能，使用纯铌超导腔发展较为成熟的后处理工艺手段，同时具有铜铌溅射型超导腔的高热导高机械性能及加速梯度较高等优点，并且大幅降低超导腔的制造成本。
附图说明
图1为铜铌复合材料板的结构示意图；
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
参考图2，本发明所述的利用铜铌复合结构板制作超导腔的方法包括以下步骤：
1)取若干块铜铌复合材料板进行退火处理；
步骤1)的具体操作为：取两块铜铌复合材料板，再进行超声波清洗，然后放入真空高温炉中进行退火处理，其中，退火温度为600℃，退火时间为5～10h，铜铌复合材料板的宽度为2.8mm，铜铌复合材料板的直径为270mm。
2)根据腔体形状和尺寸对各铜铌复合材料板进行冲压成型；
以1.3GHz单cell超导腔为例，步骤2)的具体操作为：将铜铌复合材料板放入模具中，根据1.3GHz单cell超导腔的尺寸进行冲压及拉伸处理，以形成两个大小相同、能够翻转扣合的碗状结构。
3)切除各铜铌复合材料板端部处于待焊接位置的铜层；
步骤3)中切除的铜层宽度为0.5～1cm。
4)将各铜铌复合材料板对接形成腔体，然后在合缝处进行电子束焊接及打磨；
5)将腔体放入3D打印设备中，以纯铜粉为材料，采取喷粉的方式在腔体外表面(铜层)的豁口处进行“填充式”打印，然后进行打磨处理，确保腔体外表面平整、无缝隙；
步骤5)中，利用3D金属打印设备在豁口处以纯铜粉为材料进行喷粉打印。
6)对腔体的内表面进行清洗，再对腔体的内表面进行掺氮处理，完成超导腔的制作。
步骤6)中对腔体的内表面采用高压水清洗、化学抛光、电抛光或离子溅射抛光的方式进行清洗。
参考图1，铜铌复合材料板是采用特殊工艺手段，使高纯铌和无氧纯铜按照一定厚度比值致密熔合，形成的一种新型超导复合材料板，其两面分别保留铜和铌各自的特性。

Claims (8)

1.一种利用铜铌复合结构板制作超导腔的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)取若干块铜铌复合材料板，再进行退火处理；
2)对各铜铌复合材料板进行冲压成型；
3)切除各铜铌复合材料板端部处于待焊接位置的铜层；
4)将各铜铌复合材料板对接形成腔体，再在合缝处进行电子束焊接及打磨；
5)在腔体上的外表面豁口处，以纯铜粉为材料进行喷粉打印，然后进行打磨处理，确保腔体外表面平整、无缝隙；
6)对腔体的内表面进行清洗，完成超导腔的制作。
2.根据权利要求1所述的利用铜铌复合结构板制作超导腔的方法，其特征在于，步骤1)的具体操作为：
取两块铜铌复合材料板，再进行超声波清洗，然后放入真空高温炉中进行退火处理。
3.根据权利要求2所述的利用铜铌复合结构板制作超导腔的方法，其特征在于，步骤2)的具体操作为：
将铜铌复合材料板放入模具中，根据超导腔的尺寸进行冲压及拉伸处理，以形成两个大小相同、能够翻转扣合的碗状结构。
4.根据权利要求1所述的利用铜铌复合结构板制作超导腔的方法，其特征在于，步骤3)中切除的铜层宽度为0.5～1cm。
5.根据权利要求1所述的利用铜铌复合结构板制作超导腔的方法，其特征在于，步骤5)中，利用3D金属打印设备在腔体外表面的豁口处以纯铜粉为材料进行喷粉打印。
6.根据权利要求1所述的利用铜铌复合结构板制作超导腔的方法，其特征在于，步骤5)与步骤6)之间还包括：对腔体的外表面进行除毛刺打磨。
7.根据权利要求1所述的利用铜铌复合结构板制作超导腔的方法，其特征在于，步骤6)中对腔体的内表面采用高压水清洗、化学抛光、电抛光或离子溅射抛光的方式进行清洗。
8.根据权利要求1所述的利用铜铌复合结构板制作超导腔的方法，其特征在于，步骤6)的具体操作为：对腔体的内表面进行清洗，再进行掺氮处理，完成超导腔的制作。
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