高梯度射频超导腔及其功率耦合器材料的研究

论文题目: 高梯度射频超导腔及其功率耦合器材料的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 电工理论与新技术

作者: 温华明

导师: 严陆光,林良真

关键词: 射频超导电性,超导腔,高纯铌,直线加速器,热失超,电子束焊接,低温热导

文献来源: 中国科学院研究生院（电工研究所）

发表年度: 2005

论文摘要: 国际高能物理界一致认为下一个大型高能加速器将是500GeV-1TeV 正负电子直线对撞机并已确定采用超导技术。TESLA（TeV Energy Superconducting Linear Accelerator）计划始于1992 年,研究目的是将超导腔的加速场梯度从当时的10MV/m左右的平均水平提高到25MV/m以上。本论文介绍了射频超导腔的基本知识及其最新研究成果,重点介绍高梯度场射频超导腔用高纯铌材料及功率耦合器用不锈钢铜镀层方面的研究成果。首先,研制了一套基于液氦贮槽的低温测量系统,测量温区为2.5K 至10K,深入地研究了高纯铌的热导性能。大量的测量表明热导与RRR 之间在3-10K 之间的一致关系。其次,建立了一系列RRR 测量系统。在国际上首次对不同RRR 值高纯度铌的磁阻进行了大量试验,发现在0-3T 的磁场区,磁阻特性为线性关系,并得到高钝铌的磁阻系数约为2.93×10-12Ωm/T。这些数据为在‘磁场外延法’测量超导铌的RRR建立国际标准提供了重要的数据。对涡流无损探测RRR 的方法进行了深入的研究,独创了一套有效的测量及校准的方法。研制了一套用于超导腔RRR 在线测试的27 探头的测量系统,实际应用于TTF 超导腔在加工和热处理过程中腔体材料性能的监测。对近100 个超导腔与RRR 的关系进行的统计分析表明BCP（buffered chemical polishing）化学抛光的超导腔加速场梯度呈现Eacc∝RRR1/2 的关系,而对于EP（Electro-polishing）电化学抛光的超导腔,当RRR 大于200 时, Eacc 基本上与RRR 无关。第三,实验研究了一些污染高纯度铌的一些因素,如机加工、电子束焊接、机械抛光、化学抛光、电化学抛光等以及影响纯铌RRR 均匀性的各种因素。在国际上率先开展了超高真空(10-6mbar-10-8mbar)下的电子束焊接对高纯铌性能的影响研究并探讨了其机理。研究表明,在气压低于5×10-6mbar 时,可以适当提高焊接区的性能,但在热影响区仍存在着一定程度的退化,表明在高真空下,热影响区的性能对腔体性能影响更为值得关注。真空高于10-7mbar 时,焊接区性能不再提高,表明更高的真空度已没有必要。气体分析表明,在电子束焊接的搭接区发现氢和氧的过度集中现象,氧和氢的含量远远高于其他地方。由于氢与超导腔品质因素的退化有直接关系,这一发现对进一步改进电子束焊接工艺有着重要的意义。第四,实验研究了热处理对高纯度铌机械性能的影响。研究表明高温800-1400℃热处理对高纯铌的弹性形变基本没有影响,但对塑性形变影响较大。为优化无焊缝超导铌腔液压成形技术,研究了高纯铌管的脉冲应力应变性能。第五,参与了涡流无损检测技术应用于铌板的缺陷和杂质的扫描研究,试验表明这种方法可以检测出0.2mm 大小的缺陷。目前正在参与SQUID 扫描系统在铌板缺陷和杂质的扫描研究,初步试验表明可以检测出0.1mm 大小的缺陷。最后,研究了热处理对功率耦合器用不锈钢表面铜镀层的影响,为优化工艺提供了理论和实验的依据。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

图表

前言

第1章超导在加速器中的应用概况

1.1 超导在加速器中应用的优越性

1.2 超导腔的应用概况

1.2.1 已经运行的系统

1.2.2 在建的大型超导加速器系统

1.2.3 未来的超导加速器项目

1.3 什么地方需要高梯度超导腔?

1.4 小结

第2章射频超导铌腔

2.1 射频腔

2.2 射频腔基本性能

2.2.1 加速场梯度 Eacc

2.2.2 品质因素 Q0

2.3 射频超导电性

2.3.1 表面电阻

2.3.2 临界磁场

2.3.3 高梯度射频超导腔材料的选择

2.4 加速场梯度的限制性因素

2.4.1 热失超 (Thermal Breakdown)

2.4.2 场发射(field emission)

2.4.3 次级电子发射(Multipacting)

2.4.4 氢引起的 Q-病(Q-disease)

2.5 TESLA 超导腔的制作与处理

2.5.1 TESLA 超导腔

2.5.2 铌的特性

2.5.3 铌板的杂质检测–涡流扫描

2.5.4 冲压成形和电子束焊接

2.5.5 800 oC 热处理

2.5.6 1400 oC 热处理(Post-purification)

2.5.7 化学抛光(BCP)

2.5.8 电抛光 (EP)

2.5.9 烘烤 ( baking)

2.6 无焊缝超导腔的制作

2.7 TESLA 和 TTF 取得的成就

2.8 功率耦合器

2.9 小结

第3章高纯铌在超导态下的热导性能

3.1 前言

3.2 超导状态下热导的本质

3.2.1 常导状态下的热导

3.2.2 超导状态下的电子热导

3.2.3 超导状态下的声子热导

3.2.4 铌在超导态下的总热导

3.3 热导测量系统

3.3.1 测量原理

3.3.2 测量系统 1 – 基于特殊的杜瓦容器

3.3.3 测量系统 2 – 基于传输用的液氦贮槽

3.3.4 控制和数据采集系统

3.3.5 准确度分析

3.3.6 铌的热导与 RRR 关系的测量

3.4 电子束焊接样品的热导分布研究

3.5 小结

第 4 章高纯铌残余电阻率 RRR 的测量方法及其影响因素

4.1 前言

4.2 残余电阻率 RRR(Residual Resistivity Ratio)

4.3 RRR 测量方法研究

4.3.1 RRR 测量方法 I – 温度外延法

4.3.2 RRR 测量方法 II – 磁场外延法

4.3.3 RRR 测量方法 III – 适用于超导腔在线监测的涡流无损检测法

4.3.4 三种 RRR 测量方法之间的比较

4.4 影响高纯铌 RRR 的因素

4.4.1 热处理对高纯 Nb 性能的影响

4.4.2 加工对 9-cell 超导腔 RRR 分布的影响

4.4.3 半个 cell 中的 RRR 分布

4.4.4 TIG 焊接对高纯铌的影响

4.5 小结

第5章高纯铌在机加工和表面处理过程中的污染问题

5.1 高纯铌中的杂质

5.2 机加工过程中的污染

5.3 机械抛光过程中的污染(Centrifugal barrel polishing)

5.3.1 机械抛光(Centrifugal barrel polishing)

5.3.2 CBP 过程中氢的污染

5.4 在 BCP 和 EP 过程中的氢污染

5.5 热处理除气

5.5.1 氢污染的去除

5.5.2 氧和氮的去除

5.6 小结

第6章电子束焊接对高纯铌性能的影响

6.1 电子束焊接 Electron Beam Welding (EBW)基理

6.2 EBW 对微观结构的影响

6.3 电子束焊接引起的高纯铌 RRR 的退化

6.4.1 DESY 电子束焊机

6.4.2 样品的准备

6.4.3 实验结果与分析

6.5 小结与讨论

第7章高纯铌的机械性能

7.1 前言

7.2 基本概念

7.3 应力应变测试装置

7.4 800 °C -1400 °C 热处理对高纯铌性能的影响研究

7.4.1 样品的准备

7.4.2 热处理对高纯铌应力应变行为的影响

7.4.3 热处理对 A、Ag、Rm等的影响

7.4.4 热处理对晶粒大小的影响

7.4.5 热处理对高纯铌的维氏硬度 HV10 的影响

7.5 小结

第8章高纯铌板的杂质扫描技术

8.1 前言

8.2 电子扫描显微技术

8.3 X-射线荧光技术

8.4 涡流扫描系统

8.5 SQUID 扫描系统

8.6 小结

第9章超导腔性能与 RRR 和表面抛光技术之间的关系

9.1 前言

9.2 超导腔 RRR 在线监测系统

9.3 BCP 化学抛光处理的 9-Cell 超导腔性能与 RRR 的关系(800 oC 热处理后)

9.4 BCP 化学抛光处理的 9-Cell 超导腔性能与 RRR 的关系 (BCP+800 oC + 1350 oC+Ti)

9.5 统计分析 BCP 处理的超导腔性能与 RRR 的关系

9.6 电抛光 9-Cell 超导腔性能与 RRR ( 800 oC 热处理 )

9.7 电抛光 9-Cell 超导腔性能 vs RRR ( EP+800 oC + 1350 oC+Ti )

9.8 1-cell 超导腔性能 vs RRR

9.9 小结

第10章射频超导腔用功率耦合器材料不锈钢铜镀层的研究

10.1 引言

10.2 微观结构

10.3 扩散的理论分析

10.4 实验

10.5 Condo 效应

10.6 小结

参考文献

博士研究生期间发表的论文

致谢

发布时间: 2005-08-23

参考文献

[1].超导腔-光阴极注入器物理与实验研究[D]. 金晓.中国工程物理研究院北京研究生部2002

高梯度射频超导腔及其功率耦合器材料的研究

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