CN1891864A

CN1891864A - 超导腔的干式处理方法

Info

Publication number: CN1891864A
Application number: CN 200510082813
Authority: CN
Inventors: 郝建奎; 赵夔; 黄森林; 焦飞
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2005-07-08
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2025-07-08
Also published as: CN100396818C

Abstract

本发明提供了一种超导腔的干式处理方法，其特征在于，将超导腔作为阴极、基片作为阳极，在真空条件下电离惰性气体，利用电离后产生的等离子体对超导腔表面进行溅射处理，其中，所述的基片是吸附气体能力强的金属或合金。与化学抛光、电抛光相比，它是一种洁净处理超导腔的方法，没有酸的危险和对环境的污染，而且处理后不会残留液体在腔表面上，处理装置的结构简单，容易控制。另外，它为超导腔提供了室温下的MP锻炼，使腔的MP得到很好的遏制。

Description

超导腔的干式处理方法

技术领域

本发明涉及电子激光设备加工工艺领域，特别涉及一种对超导腔表面进行干式处理的方法。

背景技术

超导腔是DC-SC光阴极注入器最重要的部件，它直接影响到注入器的性能。射频超导谐振腔可以运行在连续波模式下，这一优势是常温加速腔无法做到的。超导腔的加速梯度Eacc和品质因数Q是两个最重要的性能参数。提高超导腔的表面性能，最重要的是改善超导腔的表面状况。超导腔的表面状况直接影响到超导腔的低温性能。现在常用的表面处理方法主要有高压水清洗(HPR)、化学抛光(BCP)、电抛光(EP)等。

化学抛光采用抛光液与超导腔表面直接反应，把腔的表面层剥离。电抛光的原理是超导腔和铝管分别为阳极、阴极，抛光液作为电解质，在一定电流下，突起部分的电场较强，抛光液作用在突起部分的速率比作用在凹槽处的速率快。经过长时间的抛光后，表面抛光的效果极好。但是采用电抛光和化学抛光的方法处理的超导腔的Q值(品质因数)比较低，而且被次级电子倍增放电(MP，Multipacting)所限制，无法通过加大功率增大加速场强。

另外，BCP和EP都有酸处理问题，装置比较复杂，造价很高。为此，探索一种更好的对超导腔表面的处理方法具有重大的意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种新型的对超导腔的干式处理方法，既能极大地改善超导腔的表面性能，又没有传统的湿式处理(BCP和EP)的酸处理问题。

本发明所提供的超导腔的干式处理方法利用气体放电原理，对超导腔的表面进行溅射抛光处理。直流二极气体放电装置的结构比较简单，是由一对阴极和阳极组成的，处理时超导腔作为阴极，参考电极作为阳极，阴极接负高压，阳极接地。在真空状态下，惰性气体辉光放电形成等离子体，其中的惰性气体离子以较高的能量轰击铌表面，可以清除附着在超导腔表面的杂质，并对其表面有抛光的作用，而且气体放电可以改善材料表面的二次电子发射系数。

如图1所示，为本发明的干式处理方法的原理图。待处理的超导腔作为阴极，接负高压；基片作为阳极，接地。其中，基片可选用吸附气体能力较强的金属或合金，优选为钛、铜、不绣钢等。两电极都放置在可抽真空的真空室中，将真空室抽真空后充入惰性气体并达到一定的压强。当两电极通电后，惰性气体被电离，离子的辉光放电形成等离子体，在一定的放电电流和放电气压下，离子以较高的能量对超导腔表面进行撞击、抛光，把超导腔表面的突起、毛刺很快地除去，起到很好的表面抛光处理的作用；同时溅射抛光使超导腔温度容易升高，可以同时达到腔的表面高温退火效果。

根据以上原理，本发明提供超导腔的干式处理方法可以具体包括如下步骤：

1)将基片和待处理的超导腔分别作为阳极和阴极，阳极接地，阴极接负高压，置于真空室中；

2)使真空室内的气压达到10^-5Pa以下，然后在真空泵抽真空的同时，通入惰性气体，同时调节真空泵的阀门，使真空室内气压达到10至20Pa；

3)在继续通入惰性气体并保持真空室内气压的同时，接通电源，进行放电锻炼，直至尖端放电消失；

4)继续通电，使放电电流保持在1至2安培，对超导腔表面进行溅射处理1至3小时；

5)停止通入惰性气体，使真空室恢复至真空条件，超导腔在真空下退火，逐渐冷却至室温。

与传统的湿式处理(EP和BCP)方法相比，本发明的技术效果在于：

干式处理，没有污染。与化学抛光、电抛光相比，它是一种洁净处理超导腔的方法，没有酸的危险和对环境的污染，而且处理后不会残留液体在腔表面上；

结构简单，容易控制。只需要一个结构简单的直流二极放电装置，就可以完成腔的处理，调节参数较少，只有三个(工作气压、放电电流和放电电压)，而且只要确定了其中的两个参数，第三个参数就可以确定。通过调节气压和电流可以达到很好的处理效果；

清洗与表面结合很牢的杂质。由于惰性气体离子以比较高的能量轰击铌表面，可以把表面吸附的气体、酸液的残留物以及各种毛尖清洗掉；

室温下的MP锻炼。惰性气体离子放电可以降低腔的二次电子发射系数，使腔的MP得到很好的抑制，这对不规则超导腔来说尤为重要；

退火处理。超导腔不断被能量很高的惰性气体离子轰击，温度不断上升，达到一定温度后，停止放电，使超导腔在超高真空下退火。

附图说明

图1是干式处理方法的原理图；

图2是干式处理方法中使用的装置的结构示意图；

图中相同的标号表示相同的部件，其中：

1-超导腔 2-基片 3-真空室 4-真空泵

具体实施方式

如图2所示，为本发明优选实施例的实现装置的结构示意图。在本发明的一个实施例中，基片2选用钛棒作为阳极，接地；超导腔1作为阴极，接负高压。其中，所述超导腔1选用北京大学射频超导室设计研制的DC-SC光阴极注入器，其主体为1+1/2纯铌超导腔(郝建奎等：用于高平均功率FEL的DC-SC光阴极注入器。强激光与粒子束，第14卷第3期，2002年5月)，在进行溅射抛光之前，对纯铌超导腔进行了传统的表面处理，包括：机械抛光(滚抛)、高压水冲洗、化学抛光、电抛光以及1100℃高温处理。高纯氩气作为工作气体。真空室3为全金属密封的超高真空室，本底真空可达10^-6Pa。真空泵4采用涡轮分子泵和溅射离子泵组成的真空泵组。

利用图2所示的装置对纯铌超导腔进行干式处理的具体步骤如下：

对真空室2进行烘烤，以提高其本底真空度，直至10^-6Pa；

在真空泵4继续抽真空的同时，往真空室2中通入纯氩气，同时调节流量和真空泵阀门，使室内气压达到15Pa；

保持氩气的通入，同时保持室内气压不超过20Pa，使超导腔1和基片2通电，两个电极之间开始放电，经过大约3个小时的放电锻炼，放电电流逐渐从0.2安培增大到1.0安培并稳定下来，尖端放电消失；

保持氩气的通入，同时保持真空室1内的气压不超过20Pa，调节氩气流量和真空泵4的阀门，使放电电流保持在1.6至2安培2个小时；

停止通入氩气但不停止真空泵4，使真空室3恢复至超高真空条件，让超导腔1在超高真空下退火，经过48个小时，超导腔1的温度降到室温，此时真空室3的真空度为8×10^-7Pa。

实验效果：在经过传统的表面处理工艺而没有进行溅射抛光之前，纯铌超导腔在4.2K温度下调试中的Q值很低，不足10⁷；而且被次级电子倍增放电(MP)所限制，无法通过加大功率增大加速场强。后来，对纯铌超导腔进行了低温热处理，Q值有了很大的提高，接近10⁸，但MP仍无法得到抑制。在一定功率下对MP进行锻炼，经过几个小时的锻炼MP消失，但在更高的功率下MP又出现，始终不能彻底消除。而在使用本发明提供的干式处理方法对其进行处理之后，再对处理后的纯铌超导腔进行低温超导实验，具体的过程和结果如下：

开始时馈入小功率，在纯铌超导腔的腔内没有发现次级电子倍增放电(MP)；随着功率的加大，MP出现；采用大功率锻炼的方法对腔进行处理，经过1小时的锻炼，MP现象消除了；再增大进腔功率，MP不再出现，与处理前MP反复出现相比，该腔的性能发生了飞跃性的质变。

在本发明的又一实施例中，用同样的方法对另一纯铌超导腔进行溅射处理，但基片2改用铜作为阳极，处理步骤如下：

对真空室2进行烘烤，以提高其本底真空度，直至10^-5Pa；

在真空泵4继续抽真空的同时，往真空室2中通入纯氦气，同时调节流量和真空泵阀门，使室内气压达到10Pa；

保持氦气的通入，同时保持室内气压不超过20Pa，使超导腔1和基片2通电，两个电极之间开始放电，经过大约3个小时的放电锻炼，放电电流逐渐从0.2安培增大到1.0安培并稳定下来，尖端放电消失；

保持氦气的通入，同时保持真空室1内的气压不超过20Pa，调节氦气流量和真空泵4的阀门，使放电电流保持在1至1.3安培2个小时；

停止通入氦气但不停止真空泵4，使真空室3恢复至真空条件，让超导腔1在真空下退火，经过48个小时，超导腔1的温度降到室温。

经过以上处理步骤，纯铌超导腔同样达到与上一实施例的纯铌超导腔同样的性能。因此，根据以上实验效果，超导腔经过本发明内容的干式处理后的性能改善主要表现在两个方面：

首先是MP的改善。在处理前，超导腔始终被MP所限制。干式处理时，氩离子以很高的能量轰击超导腔表面，将表面的杂质和毛刺轰击出来，使腔得到很彻底的清洗。而且气体放电本身就是一种锻炼方法，是一种室温下的MP锻炼。

其次，退火处理可以消除由超导腔本身结构所引起的应力。干式处理时，放电电流导致腔的温度升高(可达1000℃)，处理后在超高真空下对腔进行退火处理，消除了超导腔的结构应力，解决了腔的不稳定性问题。

以上通过优选的实施例详细描述了本发明的内容，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以进行一定的修改和变形，比如选用其他吸附气体能力强的金属或合金作为基片，也能够达到吸附杂质气体的目的。

Claims

1、一种超导腔的干式处理方法，其特征在于，将超导腔作为阴极、基片作为阳极，在真空条件下电离惰性气体，利用电离后产生的等离子体对超导腔表面进行溅射处理，其中，所述的基片是吸附气体能力强的金属或合金。

2、如权利要求1所述的超导腔的干式处理方法，其特征在于，所述的吸附气体能力强的金属选自：钛、铜、不锈钢。

3、如权利要求1所述的超导腔的干式处理方法，其特征在于，所述的惰性气体是氩气。

4、如权利要求1所述的超导腔的干式处理方法，其特征在于，所述的超导腔是纯铌超导腔。

5、一种超导腔的干式处理方法，包括如下步骤：

1)将具有气体吸附能力的基片和超导腔分别作为阳极和阴极，阳极接地，阴极接负高压，置于真空室中，其中，所述的基片是气体吸附能力强的金属；

2)使真空室内的气压达到10^-5Pa以下，然后通入惰性气体，同时调节真空泵的阀门，使真空室内气压达到10至20Pa；

3)在继续通入惰性气体并保持真空室内气压的同时，接通电源，对超导腔表面进行放电锻炼，直至尖端放电消失；

4)继续通电，调节惰性气体流量和真空泵阀门，使放电电流保持在1至2安培，对超导腔表面进行溅射处理1至3小时；

6、如权利要求5所述的超导腔的干式处理方法，其特征在于，所述的基片选自：钛、铜、不锈钢。

7、如权利要求5所述的超导腔的干式处理方法，其特征在于，所述的惰性气体是氩气。

8、如权利要求5所述的超导腔的干式处理方法，其特征在于，所述的超导腔是纯铌超导腔。