低纯铌-高纯铌混合制备超导腔及其制备方法
阅读说明：本技术 低纯铌-高纯铌混合制备超导腔及其制备方法 (Superconducting cavity prepared by mixing low-purity niobium and high-purity niobium and preparation method thereof ) 是由 徐孟鑫 黄玉璐 张升学 何源 刘鲁北 蒋天才 王若旭 刘通 李春龙 于 2021-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种低纯铌-高纯铌混合制备超导腔及其制备方法,该低纯铌-高纯铌混合制备超导腔包括：超导腔的几何结构确定后,通过有限元分析得到所述超导腔内的高频电磁场分布,在运行的过程中,腔体发热最严重的区域在强磁场区,此区域采用高纯铌板材或棒材,而在其他区域采用低纯铌板材或棒材。本发明通过低纯铌和高纯铌来混合制备超导腔,根据超导腔的高频电磁场分布,在不同的位置上采用不同纯度的铌材来制备,从而降低整个工程的造价,还可以提高超导腔的机械强度。(The invention relates to a superconducting cavity prepared by mixing low-purity niobium and high-purity niobium and a preparation method thereof, wherein the superconducting cavity prepared by mixing the low-purity niobium and the high-purity niobium comprises the following steps: after the geometric structure of the superconducting cavity is determined, the high-frequency electromagnetic field distribution in the superconducting cavity is obtained through finite element analysis, in the operation process, the region with the most serious heating of the cavity is in a strong magnetic field region, the region adopts high-purity niobium plates or bars, and other regions adopt low-purity niobium plates or bars. According to the invention, the superconducting cavity is prepared by mixing low-purity niobium and high-purity niobium, and the niobium materials with different purities are adopted at different positions according to the distribution of the high-frequency electromagnetic field of the superconducting cavity, so that the manufacturing cost of the whole project is reduced, and the mechanical strength of the superconducting cavity can be improved.)
技术领域
本发明涉及一种低纯铌-高纯铌混合制备超导腔及其制备方法，属于粒子加速器加工制造领域。
背景技术
射频谐振腔是高能粒子加速器的关键部件，利用高功率微波(射频)在谐振腔中建立的高强度电磁场，可以对带电粒子进行加速或偏转。与由无氧铜制作而成的常温谐振腔相比，利用超导材料加工而成的，工作在2K或者4.2K下的射频超导腔具有更高的品质因数，可以在同样的距离内使粒子获得更大的增能。射频超导谐振腔通常由高纯铌(剩余电阻率RRR>300，RRR为300K下的电阻与4.2K下电阻的比值)通过一系列的冲压成型、机械加工、表面处理、频率控制、焊接、焊缝打磨来制备。高纯铌价格昂贵，约4500元/公斤，同时其机械强度低，在常温下的屈服强度大约只有50MPa。而低纯铌(RRR～30)价格便宜，约2000元/公斤，且其机械强度好，常温下最大能达到125MPa。在当前超导腔的加工中，所有与高频面接触的地方都是用高纯铌加工焊接而成，只有在与高频面没有接触的加强筋的加工中采用了低纯铌，这种加工方案，成本高，且腔体机械性能差。而在实际的工程运行中，并不追求单腔性能的极限，而是更看重整个系统的机械稳定性。如何改善现有射频超导谐振腔的机械强度且降低工程造价是一个亟需解决的问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种低纯铌-高纯铌混合制备超导腔及其制备方法，本发明通过低纯铌和高纯铌来混合制备超导腔，根据超导腔的高频电磁场分布，在不同的位置上采用不同纯度的铌材来制备，从而降低整个工程的造价，且提升腔体的机械稳定性。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种低纯铌-高纯铌混合制备超导腔，包括：
所述的低纯铌-高纯铌混合制备超导腔，优选地，所述超导腔的几何结构确定后，通过有限元分析得到所述超导腔内的高频电磁场分布，在运行的过程中，腔体发热最严重的区域在强磁场区，此区域采用高纯铌板材或棒材，而在其他区域采用低纯铌板材或棒材。
所述的低纯铌-高纯铌混合制备超导腔，所述超导腔包括：
外导体，其为中空结构，所述外导体的第一端固定在底板上，在靠近所述外导体的第一端处开设有沿其轴向对称设置的两槽孔，所述槽孔内装配有鼻锥，所述鼻锥上装配有束流管道；
内导体，其亦为中空结构，设置于所述外导体的空腔中，所述内导体的第一端装配有漂移管，所述漂移管与所述束流管道位于同一中心轴线上。
所述的低纯铌-高纯铌混合制备超导腔，优选地，所述超导腔为四分之一波长腔，所述内导体为高纯铌腔体。
所述的低纯铌-高纯铌混合制备超导腔，优选地，所述外导体为低纯铌腔体，所述鼻锥为低纯铌鼻锥，所述束流管道为低纯铌束流管道，所述漂移管为低纯铌漂移管。
所述的低纯铌-高纯铌混合制备超导腔，优选地，所述外导体和所述内导体的第二端装配有端盖，二者通过所述端盖连接，所述端盖上设置有清洗口，用于对所述外导体和所述内导体进行清洗，所述端盖为高纯铌端盖，所述清洗口为高纯铌清洗口。
所述的低纯铌-高纯铌混合制备超导腔，优选地，所述底板上设置有功率耦合口，所述外导体上设置有信号提取端口，用于收集所述外导体和所述内导体内的信号，所述功率耦合口为低纯铌耦合口，所述信号提取端口为低纯铌端口。
所述的低纯铌-高纯铌混合制备超导腔，优选地，所述底板上设置有加强筋，用于提高所述底板的机械强度，所述底板为低纯铌底板，所述加强筋为低纯铌加强筋。
基于上述低纯铌-高纯铌混合制备超导腔，本发明还提供该超导腔的制备方法，包括：
采用RRR值大于300的高纯铌材料，通过冲压模具或机械加工方法制备出腔体发热最严重区域的零部件；
采用RRR值为30的低纯铌材料，通过冲压模具或机械加工方法制备出腔体发热最严重区域以外的其他区域的零部件；
利用超声清洗装置对经上述两个步骤加工完成的零部件进行超声清洗；
采用氢氟酸：硝酸：磷酸＝1：1：2体积比例组成的混合酸，对超声清洗完的零部件进行化学清洗，酸液温度控制在20°以下，清洗时间控制在10-40分钟；
用电阻率不小于18MΩ·cm的超纯水，对化学清洗完的零部件进行清洗，并在优于1000级的超净室中晾干；
利用真空电子束焊机对超净室中晾干的零部件进行焊接，制造完成。
基于上述低纯铌-高纯铌混合制备超导腔，本发明还提供一种四分之一波场超导腔的制备方法，包括：
采用RRR值大于300的高纯铌材料，通过冲压模具制作出两个半内导体和所述端盖；
采用RRR值大于300的高纯铌材料，通过机械加工方法得到四个所述清洗口；
采用RRR值为30的低纯铌材料，通过冲压模具制作出两个半外导体、两个所述鼻锥和一个所述底板；
采用RRR值为30的低纯铌材料，通过机械加工方法得到所述束流管道、所述漂移管、所述功率耦合口、所述信号提取端口和所述加强筋；
利用超声清洗装置对经上述四个步骤加工完成的零部件进行超声清洗；
采用氢氟酸：硝酸：磷酸＝1：1：2体积比例组成的混合酸，对超声清洗完的零部件进行化学清洗，酸液温度控制在20°以下，清洗时间控制在10-40分钟；
用电阻率不小于18MΩ·cm的超纯水，对化学清洗完的零部件进行清洗，并在优于1000级的超净室中晾干；
利用真空电子束焊机对超净室中晾干的零部件进行焊接，制造完成。
所述的低纯铌-高纯铌混合制备超导腔的制备方法，优选地，利用真空电子束焊机对超净室中晾干的零部件进行焊接，具体步骤如下：
将两个半内导体焊接成完整的所述内导体，并将所述漂移管穿入所述内导体，焊接成一体；
将两个半外导体焊接成完整的所述外导体，将两个所述鼻锥与对应的所述束流管道和法兰焊接在一起后，与所述外导体焊接成一体；
将所述底板焊接在所述外导体上，并将所述加强筋、所述功率耦合口和法兰焊接在所述底板上；
将所述内导体和所述外导体以及所述端盖拼接在一起，测量腔体的频率，并根据焊接余量和目标频率来确定所述内导体和所述外导体开口端的切边量；
将所述端盖与所述内导体、所述外导体焊接成一体，将所述清洗口焊接在所述端盖上，并将对应的法兰和铌钛合金片焊接在所述清洗口上。
所述的低纯铌-高纯铌混合制备超导腔的制备方法，优选地，对上述每一步中的焊接部件进行焊缝打磨，所述焊缝打磨包括机械打磨。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明通过低纯铌和高纯铌来混合制备超导腔，根据超导腔的高频电磁场分布，在不同的位置上采用不同纯度的铌材来制备，从而降低整个工程的造价，还可以提高超导腔的机械强度。
2、本发明通过有限元分析得到超导腔内的高频电磁场分布。在运行的过程中，腔体发热最严重的区域通常就在强磁场区，因而在这一部分采用高纯铌，而在其他区域采用低纯铌，从而降低整腔造价，并提升腔体的机械强度。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的低纯铌-高纯铌混合制备超导腔的立体示意图；
图2为本发明该实施例提供的低纯铌-高纯铌混合制备超导腔的多面视图，其中，a为侧视图，b为内部视图；
图3为本发明该实施例提供的高频电磁场在低纯铌-高纯铌混合制备超导腔中的分布示意图以及本发明的超导腔中高纯铌和低纯铌分布图，其中，a为电场等值线分布图，b为磁场等值线分布图，c为本发明的超导腔中高纯铌和低纯铌分布图；
图4为本发明该实施例提供的低纯铌-高纯铌混合制备超导腔的爆炸示意图；
图中各标记如下：
1-外导体；2-内导体；3-端盖；4-清洗口；5-底板；6-功率耦合口；7-加强筋；8-漂移管；9-鼻锥；10-束流管道；11-信号提取端口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“上”、“下”、“左右”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
有限元分析是指在有限元分析软件中建立射频谐振腔的薄壳模型(或者腔内的空气体模型)，设置模型的材料属性为铌(或者真空)，将空气体与铌壳体的接触面定义为电边界，将模型划分为有限的多个小单元，利用有限元分析软件中高频分析的本征模求解器进行求解，得到腔体的电磁场分布。
对确定形状的射频谐振腔，腔内电磁场的空间分布也随之确定。腔内的高频电磁场会产生高频热，这些热会损耗在腔壁上，从而引起腔壁温度的上升。对于超导腔来说，在工作时，超导腔整体浸泡在液氦中，通过液氦将腔壁上的高频热带走，从而使得整腔的温度保持在铌的超导转变温度之下，使得腔体能够一直保持超导态。如果腔壁上的高频热不能及时被液氦带走，腔壁上的温度会随之上升，如果腔壁温度高于铌材的超导转变温度，就会引起腔体的失超。而铌材的传热效率与其剩余电阻率密切相关，因而在加工超导腔时，通常采用高纯铌(RRR>300)。然而高纯铌价格昂贵，且机械强度低。低纯铌(RRR～30)价格便宜，且机械强度高，通常被用在腔体外部的加强筋上。为了降低超导腔的整体造价，且提升腔体的机械强度，本申请提出一种通过高纯铌和低纯铌混合制备超导腔的方法，即在腔体发热比较严重的区域采用高纯铌，其他区域则采用低纯铌。
本发明提供一种低纯铌-高纯铌混合制备超导腔的技术方案，并以四分之一波长加速腔为例对本技术方案进行详细说明。
在本发明一个优选的实施方案中，如图1、2所示，所述四分之一波长腔体包括：外导体1，其为中空结构，外导体1的第一端固定在底板5上，在靠近外导体1的第一端处开设有沿其轴向对称设置两槽孔，槽孔内装配有鼻锥9，鼻锥9上装配有束流管道10；内导体2，其亦为中空结构，设置于外导体1的空腔中，内导体2的第一端装配有漂移管8，漂移管8与束流管道10位于同一中心轴线上，外导体1的第二端与内导体2的第二端通过端盖3连接，端盖3上开设有清洗口4，底板5上开设有功率耦合口6，外导体1的第一端靠近底板5的地方开设有信号提取端口11。
在本发明一个优选的实施方案中，如图3所示，以四分之一波长超导腔为例，当腔体的几何结构确定后，通过有限元分析得到腔内的高频电磁场分布(图3a和3b所示，通过有限元分析，可以得到腔壁上的最大表面磁场值，我们以磁场最大值(Bmax)的1/3为界，表面场大于磁场1/3Bmax的区域采用高纯铌，表面磁场小于1/3Bmax的区域采用低纯铌，其他类型的腔体也可以以磁场最大值(Bmax)的1/3为界来划分，选择高、低纯铌)。在运行的过程中，腔体发热最严重的区域通常就在强磁场区，因而在这一部分采用高纯铌，而在其他区域采用低纯铌，从而降低整腔造价，并提升腔体的机械强度。
在本发明一个优选的实施方案中，如图3c所示，以四分之一波长超导腔为例，内导体2为高纯铌腔体。
在本发明一个优选的实施方案中，如图3c所示，以四分之一波长超导腔为例，外导体1为低纯铌腔体，鼻锥9为低纯铌鼻锥，束流管道10为低纯铌束流管道，漂移管8为低纯铌漂移管。
在本发明一个优选的实施方案中，如图1、2、4所示，外导体1和内导体2的第二端装配有端盖3，端盖3上设置有清洗口4，用于对外导体1和内导体2进行清洗，端盖3和清洗口4由高纯铌制备而成。
在本发明一个优选的实施方案中，如图1、2、4所示，底板5上设置有功率耦合口6，外导体1上设置有信号提取端口11，用于提取腔内的信号。底板5、功率耦合口6和信号提取端口11由低纯铌制备而成。
在本发明一个优选的实施方案中，如图1、2、4所示，底板5上设置有加强筋7，用于提高底板5的机械强度，加强筋7由低纯铌制备而成。
基于上述低纯铌-高纯铌混合制备超导腔，本发明还提供该超导腔的制备方法，包括：
采用RRR值大于300的高纯铌材料，通过冲压模具制作出两个半内导体和端盖3，其中，两个半内导体在与端盖3连接处留有切边余量，模具成型方法包括但不限于冲压，旋压，液压等；
采用RRR值大于300的高纯铌材料，通过机械加工方法得到四个清洗口4，机械加工方法包括但不限于数控车床、线切割、水切割、加工中心等；清洗口4上装配有铌钛合金法兰和铌钛合金盘片；
采用RRR值约为30的低纯铌材料，通过冲压模具制作出两个半外导体、两个鼻锥9、一个底板5，其中，两个半外导体在与端盖3连接处留有切边余量，成型方法包括但不限于冲压，旋压，液压等；
采用RRR值约为30的低纯铌材料，通过机械加工方法得到束流管道10、漂移管8、功率耦合口6、信号提取端口11和加强筋7，机械加工方法包括但不限于数控车床、线切割、水切割、加工中心等；束流管道10、功率耦合口6、信号提取端口11上装配有铌钛合金法兰和铌钛合金盘片；
利用超声清洗装置对经上述四个步骤加工完成的零部件进行超声清洗，清洗时间不少于40分钟；
采用氢氟酸(40wt％)：硝酸(68wt％)：磷酸(85wt％)＝1：1：2的体积比例组成的混合酸，对超声清洗完成的零部件进行化学清洗，酸液温度控制在20°以下，清洗时间控制在10-40分钟；
用电阻率不小于18MΩ·cm的超纯水，对化学清洗完成的零部件进行清洗，并在优于1000级的超净室中晾干；
利用真空电子束焊机对经超净室中晾干的零部件进行焊接，焊接方法包括但不限于电子束焊接、激光焊接等。
具体焊接包括以下步骤：
将两个半内导体焊接成完整的内导体2，并将中心漂移管8穿入内导体2，且焊接成一体；
将两个半外导体焊接成完整的外导体1，将两个鼻锥9与对应的束流管道10和法兰焊接在一起后，与外导体1焊接成一体；
将底板5焊接在外导体1上，并将加强筋7、功率耦合口6和法兰焊接在底板5上；
通过工装将完整的内导体2和外导体1以及端盖5拼接在一起，测量腔体的频率，并根据焊接余量和目标频率来确定内外导体开口端的切边量；
将端盖3与内导体2、外导体1焊接成一体，将清洗口4焊接在端盖3上，并将对应的法兰和铌钛合金片焊接在清洗口4上；
对上述焊接过程中每一步的焊接部件进行焊缝打磨，焊缝打磨包括但不限于机械打磨等。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。