[發明專利]一種銅基厚壁鈮基超導腔的制備方法

有效

• 申請號: 202110648783.4
• 申請日: 2021-06-10
• 公開（公告）號: CN113373483B
• 公開（公告）日: 2022-11-15
• 發明（設計）人: 楊自欽;何源;路明;皇世春;吳安東;郭浩;譚騰
• 申請（專利權）人: 中國科學院近代物理研究所
• 主分類號: C25D3/38
• 分類號: C25D3/38;C25D5/38;C25D7/04;C23C4/131;C23G1/10;H05H7/20
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙靜

本發明公開了一種通過外表面電鍍無氧銅制備銅基厚壁鈮基超導腔的方法。該方法包括以下步驟：1)薄壁純鈮超導腔的機械沖壓、電子束焊接加工；2)純鈮超導加速腔電鍍前的預處理，如高溫除氣、內外表面BCP拋光、超聲波清洗；3)無氧銅電鍍溶液的配備；4)純鈮超導加速腔外表面電鍍無氧銅；5)純鈮超導加速腔外表面電鍍無氧銅之后的后處理。本發明研制的銅基厚壁鈮基超導腔，無氧銅層致密度高、孔隙率低、熱反應小、銅壁厚度容差大，且可批量生產成本低，能夠在確保銅基厚壁鈮基超導腔射頻性能不低于純鈮超導腔水平的前提下，顯著增加超導腔的機械穩定性與熱穩定性，適合基于射頻超導加速器技術的大科學裝置使用。

技術領域

本發明涉及超導技術領域，具體涉及一種通過外表面電鍍無氧銅研制銅基厚壁鈮基超導腔的方法。

背景技術

當前的射頻超導加速器采用的超導加速腔主要采用RRR(剩余電阻率比值，表征材料的純度)300的高純鈮板通過機械沖壓、電子束焊接制造。但是受限于鈮材4.2K或者2K運行溫度下較低的導熱能力，純鈮超導腔的壁厚一般不超過3-4mm。一方面，3-4mm壁厚的純鈮超導腔機械穩定性差，對顫噪、洛倫茲失諧、He壓波動等外界干擾敏感，容易引起頻率失諧；另一方面，純鈮超導腔3-4mm的壁厚導熱能力較差，不能及時把超導腔局部的發熱傳遞到液氦，容易引起熱不穩定現象。總之，從已有的運行經驗以及純鈮超導腔的結構特點來看，純鈮超導腔很難滿足強流超導加速器的連續穩定運行需求。

超導腔機械穩定性的提高，應在不影響熱傳導的基礎上，通過增加腔體壁厚來實現。銅在4.2K或2K低溫下的導熱能力比RRR300的鈮材高約一個量級。因此，當前一個重要的突破方向是采用價格更低、熱導更好的無氧銅為襯底，研制銅基厚壁純鈮超導腔。

當前，銅基厚壁純鈮超導腔的主要制造方法是在厚壁無氧銅腔內表面，通過濺射的方式生長一層2-3μm的鈮薄膜(簡稱銅鈮濺射薄膜腔)。但是受制備過程的限制，濺射鈮膜的晶粒尺寸小，伴隨晶界弱連接、晶界弱耦合等限制因素，使得銅鈮濺射薄膜腔的射頻性能達不到純鈮超導腔的水平，無法廣泛應用于當前的射頻超導加速器大科學裝置。因此，如何在保證超導腔射頻性能的前提下，提高超導腔的機械穩定性與熱穩定性，是解決當前和未來高能量、高流強射頻超導加速器穩定運行問題的關鍵。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種通過外表面電鍍無氧銅制備銅基厚壁純鈮超導腔的方法。該方法可以在保證銅基厚壁純鈮超導腔射頻性能達到純鈮腔水平的基礎上，顯著提升超導腔的機械穩定性和熱穩定性，且造價低，可批量生產，尤其適合用于需長時間穩定運行的射頻超導加速器大科學裝置。

為實現上述目的，本發明擬采取以下技術方案：

一種通過外表面電鍍無氧銅制備銅基厚壁純鈮超導腔的方法，包括下述步驟：

1)采用RRR300、厚度為1.5-2.5mm的高純鈮材料，通過機械沖壓、真空電子束焊接加工成薄壁純鈮超導腔；

2)對經步驟1)完成的薄壁純鈮超導腔進行真空檢漏；

3)將經步驟2)真空檢漏完成的純鈮超導腔進行超聲清洗、晾干；

4)對步驟3)完成的純鈮超導腔內表面進行化學拋光處理，拋光厚度為80-150μm(具體如100μm)；

5)將經步驟4)完成的純鈮超導腔進行超聲清洗、晾干；

6)將經步驟5)完成的純鈮超導腔放入真空爐內加熱，進行高溫除氣處理；

7)將經步驟6)高溫除氣處理后的純鈮超導腔進行超聲波清洗，晾干；

8)對步驟7)完成的純鈮超導腔內、外表面均進行化學拋光處理，內、外表面的拋光厚度均為10-40μm(具體如20μm)；

9)對經步驟8)完成的純鈮超導腔外表面沉積銅層；