低頻率低β低溫氮摻雜HWR超導(dǎo)腔的性能測(cè)試

陳 蒙，朱 鳳,*，馮立文，全勝文，郝建奎，王 芳，林 林，陳 術(shù)，程安齊

(1.北京大學(xué) 核物理與核技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871；2.北京大學(xué) 物理學(xué)院 重離子物理研究所，北京 100871)

中國(guó)原子能科學(xué)研究院和北京大學(xué)聯(lián)合提出的北京在線同位素分離豐中子束流裝置(BISOL)是新一代大型核科學(xué)研究裝置。該裝置將采用反應(yīng)堆驅(qū)動(dòng)和強(qiáng)流氘核加速器驅(qū)動(dòng)的雙源驅(qū)動(dòng)方案[1]。強(qiáng)流氘核加速器(IDD)既可產(chǎn)生放射性核素用于基礎(chǔ)研究，也可產(chǎn)生強(qiáng)流中子束用于核能系統(tǒng)的材料學(xué)研究。射頻超導(dǎo)加速器作為強(qiáng)流氘加速器主要的加速結(jié)構(gòu)可將氘束從3 MeV加速至40 MeV。強(qiáng)流氘加速器第一階段的設(shè)計(jì)流強(qiáng)為10 mA，未來(lái)可升級(jí)到加速50 mA的連續(xù)波氘束。基于此，北京大學(xué)設(shè)計(jì)了用于加速高流強(qiáng)氘束的β=0.09、頻率為162.5 MHz半波長(zhǎng)諧振(HWR)超導(dǎo)腔，并對(duì)其進(jìn)行了低溫射頻超導(dǎo)性能測(cè)試。

對(duì)超導(dǎo)腔進(jìn)行氮摻雜可顯著提高腔的品質(zhì)因數(shù)Q0，并會(huì)出現(xiàn)Q0傾斜上升(anti-Q-slope)現(xiàn)象。在射頻超導(dǎo)領(lǐng)域，特別是對(duì)于頻率大于1.0 GHz的超導(dǎo)腔，氮摻雜是目前的研究熱點(diǎn)[2]。斯坦福直線加速器中心(SLAC)的直線加速器相干光源(LCLS-Ⅱ)決定使用氮摻雜技術(shù)將1.3 GHz射頻超導(dǎo)腔的品質(zhì)因數(shù)在16 MV/m時(shí)提高到2.7×1010 [3]。通常，氮摻雜能提高腔體的品質(zhì)因數(shù)，但會(huì)導(dǎo)致最大加速梯度下降。為同時(shí)實(shí)現(xiàn)高加速梯度和高品質(zhì)因數(shù)，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室(Fermilab)對(duì)1.3 GHz 橢圓形腔進(jìn)行了低溫氮摻雜實(shí)驗(yàn)，并取得了很好的結(jié)果[4]。

但到目前為止，關(guān)于低頻低β超導(dǎo)腔的高溫氮摻雜或低溫氮摻雜的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。為探究氮?dú)馓幚韺?duì)162.5 MHz HWR超導(dǎo)腔的影響，本文對(duì)該腔進(jìn)行低溫氮摻雜處理。

1 HWR超導(dǎo)腔低溫性能測(cè)試

1.1 HWR超導(dǎo)腔設(shè)計(jì)

用于高流強(qiáng)束流加速的β=0.09、頻率為162.5 MHz的HWR超導(dǎo)腔束流孔徑為40 mm，其內(nèi)外導(dǎo)體均為錐形(taper)，內(nèi)導(dǎo)體末端漂浮段為環(huán)形。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可使腔體具有更低的表面場(chǎng)、更高的分路阻抗以及更好的機(jī)械性能[5]。腔體的設(shè)計(jì)參數(shù)列于表1，其中，βg為腔體幾何β，Epk和Bpk分別為腔體內(nèi)表面峰值電場(chǎng)和磁場(chǎng)，Eacc為腔體加速梯度，R/Q0表示腔體分路阻抗R與品質(zhì)因數(shù)Q0的比值，該參數(shù)僅與腔的幾何形狀有關(guān)。腔體的短路面采用非對(duì)稱式倒角的扁平結(jié)構(gòu)，有利于抑制短路面區(qū)域的二次電子倍增效應(yīng)(MP)。裝配好的HWR超導(dǎo)腔示于圖1。

表1 β=0.09 HWR超導(dǎo)腔設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of β=0.09 HWR cavity

圖1 高真空電子束焊接完成后的β=0.09 HWR超導(dǎo)腔Fig.1 β=0.09 HWR cavity after fabrication

1.2 HWR超導(dǎo)腔低溫測(cè)試

腔體裝配好后，先經(jīng)過(guò)150 μm的標(biāo)準(zhǔn)緩沖化學(xué)拋光(BCP)處理，除去內(nèi)表面污染物，使內(nèi)表面更加光滑，然后進(jìn)行800 ℃高溫退火除氫，再經(jīng)輕度BCP處理，最后對(duì)腔內(nèi)表面進(jìn)行107Pa高壓水沖洗，去除內(nèi)表面的灰塵和顆粒物。

腔體后處理完成后，通過(guò)功率耦合口對(duì)腔體饋入功率并進(jìn)行低溫垂直測(cè)試。腔體在4.2 K和2 K溫度下的垂直測(cè)試結(jié)果示于圖2。其中，探測(cè)器檢測(cè)到的當(dāng)量劑量率用于表征由于腔體內(nèi)表面發(fā)生場(chǎng)致發(fā)射，電子逃逸出腔內(nèi)表面，經(jīng)腔內(nèi)電磁場(chǎng)加速后碰撞腔壁引起的輻射。由圖2可見(jiàn)，該taper結(jié)構(gòu)的HWR超導(dǎo)腔低溫測(cè)試結(jié)果非常好，最大加速梯度在4.2 K時(shí)達(dá)14.5 MV/m，在2 K時(shí)達(dá)17 MV/m。場(chǎng)致發(fā)射從14 MV/m開(kāi)始出現(xiàn)，導(dǎo)致加速梯度無(wú)法繼續(xù)提高。一般情況下，圓柱形的HWR超導(dǎo)腔加速梯度在10 MV/m以下，該HWR超導(dǎo)腔較絕大多數(shù)的圓柱形腔加速梯度高。因此，該超導(dǎo)腔未來(lái)可工作在更高的加速梯度下。

圖2 4.2 K和2 K時(shí)HWR超導(dǎo)腔Q0隨加速梯度Eacc的變化Fig.2 Q0 vs Eacc of HWR cavity at 4.2 K and 2 K

2 低溫氮摻雜處理

超導(dǎo)腔的氮摻雜主要分為兩種：高溫氮摻雜和低溫氮摻雜。這兩種氮摻雜技術(shù)有兩個(gè)主要的不同點(diǎn)：一是高溫氮摻雜后需對(duì)腔體內(nèi)表面進(jìn)行幾μm的電拋光(EP)處理，但采用低溫氮摻雜后的超導(dǎo)腔不用進(jìn)行額外的拋光；二是兩種方法對(duì)超導(dǎo)腔進(jìn)行氮?dú)馓幚淼臅r(shí)間和溫度不同。高溫氮摻雜需要800 ℃ 高溫，而低溫氮摻雜所需的溫度低得多。由于β=0.09 HWR超導(dǎo)腔的內(nèi)外導(dǎo)體為taper結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不利于進(jìn)行電拋光處理，因此低溫氮摻雜更適合于此類結(jié)構(gòu)復(fù)雜腔型。

對(duì)于162.5 MHz的HWR超導(dǎo)腔，由于超導(dǎo)微觀理論電阻(BCS電阻)很低，低溫氮摻雜的效果可能不如1.3 GHz 超導(dǎo)腔明顯。氮摻雜理論計(jì)算[6]表明，162.5 MHz超導(dǎo)腔低加速場(chǎng)(簡(jiǎn)稱低場(chǎng))下的Q0在4.2 K時(shí)能增加1倍，但在2 K時(shí)沒(méi)有明顯增加。

圖3 4.2 K和2 K下低溫氮摻雜HWR超導(dǎo)腔Q0隨Eacc的變化Fig.3 Q0 vs Eacc of HWR cavity before and after nitrogen infusion treatment at 4.2 K and 2 K

在對(duì)腔體經(jīng)過(guò)3 h、800 ℃ 高溫退火后直接進(jìn)行48 h低溫氮摻雜處理，氮?dú)鈮簭?qiáng)保持在3 Pa，環(huán)境溫度為160 ℃。低溫氮摻雜后，對(duì)腔進(jìn)行高壓水沖洗和低溫垂直測(cè)試，4.2 K和2 K下低溫氮摻雜前后的射頻性能測(cè)試結(jié)果示于圖3。Q0在低場(chǎng)時(shí)接近原來(lái)的2倍，這與理論計(jì)算相符。4.2 K下，低溫氮摻雜前后Q0隨Eacc的變化曲線在整個(gè)加速梯度區(qū)間內(nèi)均有Q0傾斜下降(Q-slope)現(xiàn)象，Q0也僅略高于摻雜前，腔體性能沒(méi)有明顯提升。2 K下，低溫氮摻雜能在低場(chǎng)下提高Q0，且改善中場(chǎng)段的Q-slope現(xiàn)象。但由于場(chǎng)致發(fā)射，腔體在高場(chǎng)時(shí)仍有Q-slope現(xiàn)象。其中，低場(chǎng)尤其是中場(chǎng)Q0的增加是理論計(jì)算沒(méi)有預(yù)測(cè)到的。因此，160 ℃低溫氮摻雜后HWR超導(dǎo)腔的表面電阻有可能與氮摻雜處理過(guò)的不同，對(duì)其表面電阻的變化仍需進(jìn)一步研究。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，低溫氮摻雜前，加速梯度為10 MV/m的Q0為6.5×109，摻雜后為1.36×1010，品質(zhì)因數(shù)增加了1倍多。因此，如果腔體運(yùn)行梯度為10 MV/m，在2 K的溫度下，低溫氮摻雜處理后的腔體優(yōu)勢(shì)非常大，Q0可達(dá)到摻雜前的2倍以上。

3 結(jié)論

本文主要介紹了β=0.09、頻率為162.5 MHz的錐形HWR超導(dǎo)腔的設(shè)計(jì)和低溫射頻性能測(cè)試，并對(duì)腔體進(jìn)行了低溫氮摻雜處理。垂直測(cè)試結(jié)果表明，低溫氮摻雜前，該HWR超導(dǎo)腔可達(dá)到很高的加速梯度，最大加速梯度為17 MV/m，低場(chǎng)下Q0可達(dá)1×1010；低溫氮摻雜后，在4.2 K溫度下，腔體在極低場(chǎng)可獲得更高的Q0，但由于整個(gè)加速區(qū)間內(nèi)存在Q-slope現(xiàn)象，因此并沒(méi)有特別的優(yōu)勢(shì)。但在2 K溫度下，Q0在加速梯度為10 MV/m時(shí)提升至原來(lái)的2倍。如果未來(lái)超導(dǎo)腔運(yùn)行在2 K溫度下，加速梯度為10 MV/m，低溫氮摻雜后的HWR超導(dǎo)腔低溫射頻性能優(yōu)勢(shì)很大。另外，對(duì)于低溫氮摻雜如何影響低β射頻超導(dǎo)腔的表面電阻，仍需進(jìn)一步研究解釋。