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等离子体辅助的射频超导材料制备及改性

等离子体辅助的射频超导材料制备及改性

作者：朱同同中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)

学位级别：硕士

射频超导腔因其束流孔径大、能量损耗低、且能在连续波模式下高梯度稳定运行等优势,被广泛应用于各种粒子加速器装置。目前射频超导腔大多为纯铌材料制造。但基于纯铌的射频超导腔在表面处理、加速器稳定运行方面逐渐暴露出了一系列问... 详细信息

射频超导腔因其束流孔径大、能量损耗低、且能在连续波模式下高梯度稳定运行等优势,被广泛应用于各种粒子加速器装置。目前射频超导腔大多为纯铌材料制造。但基于纯铌的射频超导腔在表面处理、加速器稳定运行方面逐渐暴露出了一系列问题。一方面由于纯铌化学性质稳定,表面处理非常复杂,因此对于纯铌超导腔多使用缓冲化学抛光、电抛光等手段进行处理,而这些过程需要用到HF、HNO等高毒、强腐蚀性溶液,处理非常危险,且对环境污染严重;另外由于纯铌导热系数低,只能做成薄壁结构,导致超导腔对环境振动十分敏感,运行稳定性较差。针对以上问题,本文引入射频等离子体技术来对超导腔表面进行改性研究,首先研究了等离子体刻蚀法的超导腔表面处理,其成本低、安全可靠、且对环境无污染,有望代替传统的化学法。此外,采用等离子体辅助化学气相沉积法进行铜基铌薄膜制备,通过借助等离子体的催化效应以降低沉膜温度,在低温下铜基底上沉膜,解决纯铌腔面临的问题。首先对用于1.3 GHz椭球形超导腔表面处理的容性耦合等离子体源的特性进行了模拟。研究发现通过优化电极结构可以在超导腔内部获得均匀的等离子体分布,电子密度对电极结构的改变较为敏感,且电子密度随功率、频率的增加而增加,电子温度保持不变;超导腔不同位置处的离子能量分布函数(IEDF)的形状和范围差异较大,由于鞘层叠加效应,束流管道位置主要以低能离子为主,而在相同频率和功率下,超导腔的赤道、过渡段、鼻锥位置处的IEDF范围一致,且IEDF范围随功率的增加而变大,随频率的增加而减小。然后,研究了基于物理溅射的超导铌表面的刻蚀抛光处理。利用离子能量分布函数和溅射产额能量关系曲线引入了溅射产额概率分布函数模型,结合鞘层模型和溅射产额概率分布函数建立了定量估算刻蚀速率的方法。针对含能氩离子对铌样品表面的刻蚀进行了刻蚀速率的理论计算,并利用在ICP源的样品上施加偏压的方法完成了不同能量的氩离子刻蚀速率的实验测量。实验结果和理论计算结果相一致,且等离子体物理刻蚀可以有效减小表面粗糙度,表明了等离子体物理刻蚀可应用于超导铌腔,为超导腔的表面处理提供了一条新的路线。最后,利用基于射频感性耦合Ar/H混合放电的等离子体增强化学气相沉积方法开展了高性能铜基底铌薄膜制备的探索。首先,对Ar/H放电过程中的活性粒子特性进行了研究,以期获得最大的还原性H原子的密度。研究表明电子密度、温度及Ars、Ar、Ar H、H、H等粒子密度峰值存在于射频线圈附近,而H原子在整个反应器里面分布非常均匀,且电子密度随气压、功率的增加而增加,电子温度呈相反变化趋势;随着H浓度的增加电子密度、Ar密度不断减小,而电子温度、H、H密度不断增加。然后,利用感性耦合射频等离子体辅助的化学气相沉积法(PECVD)探索了在低温下铜基铌薄膜的制备,并在500℃下成功制备了铜基底铌薄膜,表明该法可以有效降低沉膜温度,但铌元素的含量较低,膜厚太薄,需要进一步优化工艺,提升薄膜质量。

关键词：粒子加速器射频超导铌腔表面处理超导薄膜制备

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提高射频超导加速腔性能的表面干式处理研究

物理学报 2005年第7期54卷 3375-3379页

作者：郝建奎焦飞黄森林朱风赵夔北京大学重离子物理教育部重点实验室重离子物理研究所北京100871

射频超导谐振腔以其优越性在加速器领域起到了常温加速腔无法替代的作用.超导腔的表面特性直接影响到加速腔的性能.为进一步提高超导腔的加速性能,北京大学利用超高真空氩离子清洗技术发展了一种超导腔表面的干式处理方法.与传统的湿处... 详细信息

射频超导谐振腔以其优越性在加速器领域起到了常温加速腔无法替代的作用.超导腔的表面特性直接影响到加速腔的性能.为进一步提高超导腔的加速性能,北京大学利用超高真空氩离子清洗技术发展了一种超导腔表面的干式处理方法.与传统的湿处理方法(化学抛光BCP和电抛光EP)相比,干式处理方法具有其特有的优点,有可能成为一种新的超导腔表面处理方法,对提高加速腔的性能起到推动作用.进一步的研究正在进行之中.

关键词：超导加速腔干式表面处理方法超导腔加速性能直接影响表面特性射频超导化学抛光清洗技术超高真空北京大学推动作用加速器谐振腔电抛光 BCP 氩离子

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射频超导技术与ERL技术新进展

Chinese Physics C 2008年第Z1期32卷 200-203页

作者：郝建奎赵夔核物理与核技术国家重点实验室北京大学重离子物理研究所北京100871

射频超导谐振腔可以工作在连续波或长宏脉冲模式.射频超导技术已发展为加速各种带电粒子束的重要手段.射频超导技术发展的前期受材料性能、腔的处理以及加工安装水平等的限制.经过几十年的不断改进,射频超导技术获得了重大突破.射频超... 详细信息

射频超导谐振腔可以工作在连续波或长宏脉冲模式.射频超导技术已发展为加速各种带电粒子束的重要手段.射频超导技术发展的前期受材料性能、腔的处理以及加工安装水平等的限制.经过几十年的不断改进,射频超导技术获得了重大突破.射频超导腔应用到超导加速器上并成功运行,积累了腔的质量控制工艺和工业化制备的大量经验.近期国际上面对未来大科学装置项目,在射频超导技术方面进行了大量的研发工作,主要包括提高超导腔加速梯度的新腔型研究和采用新型材料(大晶粒铌材)超导腔的研究.能量回收直线加速器(ERL)技术是近年来获得发展的重要加速器技术.ERL具有高效、节能、稳定性好、低辐射水平等优势,被越来越多地应用到先进光源和自由电子激光装置中.

关键词：射频超导能量回收直线加速器加速梯度

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射频超导技术与ERL技术新进展

射频超导技术与ERL技术新进展

第三届全国粒子加速器技术学术交流会

作者：郝建奎赵夔核物理与核技术国家重点实验室北京大学重离子物理研究所

关键词：射频超导能量回收直线加速器加速梯度

来源： cnki会议评论

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射频超导会议概述

国际学术动态 1998年第6期 53-54页

作者：赵夔张保澄北京大学技术物理系

第8届国际射频超导会议于1997年10月6日至11日在意大利国家核物理研究所(INFN Legnaro)举行,有160多位从事超导加速器和射频超导基础研究的科学家和工程技术人员出席了会议。参加此次会议的代表们分别来自美国、德国、日本、法国、意大... 详细信息

第8届国际射频超导会议于1997年10月6日至11日在意大利国家核物理研究所(INFN Legnaro)举行,有160多位从事超导加速器和射频超导基础研究的科学家和工程技术人员出席了会议。参加此次会议的代表们分别来自美国、德国、日本、法国、意大利、印度、中国等国家的一些著名的实验室和大学,例如Jefferson Lab.,Argonne,Los Alamos,Cornell大学,DESY,KEK,CERN,JAERI,Wuppertal大学,Saclay和INFN等。此外还有三菱电机、三菱重工和欧美的许多企业的代表出席会议。会议收到论文100多篇。世界各主要实验室在会议上

关键词：射频超导场致发射强流质子直线加速器铁氧体粉末核废料处理高阶模

用磁控溅射法制备Nb-NbN复合膜来改善射频超导加速器铌膜超导性能的研究

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用磁控溅射法制备Nb-NbN复合膜来改善射频超导加速器铌膜超导性能...

2006全国荷电粒子源、粒子束学术会议

作者：李欣陈强辛天牧廖成郝建奎焦飞北京航空航天大学理学院物理系北京大学重离子物理研究所

随着射频超导谐振腔在粒子加速器中的广泛应用,提高铜铌溅射型薄膜超导腔的加速性能、改善铌(Nb)膜的Q-slope影响是重离子超导直线加速器的研究热点之一。本文用磁控溅射法制备了铌(Nb)膜和Nb-NbN复合膜。用X射线衍射(XRD)和俄歇电子能... 详细信息

随着射频超导谐振腔在粒子加速器中的广泛应用,提高铜铌溅射型薄膜超导腔的加速性能、改善铌(Nb)膜的Q-slope影响是重离子超导直线加速器的研究热点之一。本文用磁控溅射法制备了铌(Nb)膜和Nb-NbN复合膜。用X射线衍射(XRD)和俄歇电子能谱(AES)来比较两种薄膜的特点,发现Nb-NbN复合膜有效地阻止了铌膜的氧化,这可能成为提高薄膜超导腔加速性能的有效方法。

关键词：磁控溅射薄膜超导腔氮化铌(NbN) 射频超导

来源： cnki会议评论

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北京射频超导研究中心在北京大学成立

北京大学学报(自然科学版) 2002年第1期 89-89页

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北京大学铌腔射频超导实验通过鉴定

强激光与粒子束 1992年第3期 2-2页

作者：赵夔张保澄

在陈佳洱教授主持下,北京大学重离子物理实验室“超导腔”课题组所承担的国家高技术项目射频(RF)超导腔实验研究,在完成大量设计、计算、设备建造与实验准备工作的基础上成功地进行了低温RF超导腔实验研究,完成了七五期间规定的任务。1... 详细信息

在陈佳洱教授主持下,北京大学重离子物理实验室“超导腔”课题组所承担的国家高技术项目射频(RF)超导腔实验研究,在完成大量设计、计算、设备建造与实验准备工作的基础上成功地进行了低温RF超导腔实验研究,完成了七五期间规定的任务。1991年12月14日国家教委组织召开了鉴定会,认为1.5GHz铌腔射频超导实验研究达到了国际先进水平。国家教委科技司,国防科工委科技委,国家科委基础研究与高技术司,核工业总公司,国家自然科学基金委,国家高技术激光技术领域主题及专家组,中国原子能研究院,中国工程物理研究院,中科院高能物理所,清华大学,北京大学等单位的领导和专家共50余人出席了鉴定会。

关键词：射频超导实验研究铌腔超导腔空腔谐振器超导加速器北京大学

1.3 GHz超导腔的电化学青铜法铌三锡镀膜技术

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原子核物理评论 2023年第1期40卷 51-57页

作者：路明潘峰罗迪迪李春龙邬帅朱同同初青伟皇世春吴安东谭腾郭浩中国科学院近代物理研究所兰州730000 中国科学院大学北京100049 兰州大学核科学与技术学院兰州730000

由于射频超导腔具有高品质因数Q0,大束流孔径等诸多优势,已被加速器行业广泛应用。目前纯铌腔的性能已经接近理论极限,使用Nb3Sn薄膜腔代替纯铌腔是突破这一限制的有效手段。铌三锡具有较高的超导转变温度和过热磁场,理论预期可以大幅... 详细信息

由于射频超导腔具有高品质因数Q0,大束流孔径等诸多优势,已被加速器行业广泛应用。目前纯铌腔的性能已经接近理论极限,使用Nb3Sn薄膜腔代替纯铌腔是突破这一限制的有效手段。铌三锡具有较高的超导转变温度和过热磁场,理论预期可以大幅度提高SRF腔体工作温度和加速梯度。目前,Nb3Sn薄膜制备技术蓬勃发展,其中锡蒸汽扩散法已经比较成熟,已制备出初步满足工程需求的铌基铌三锡薄膜射频超导腔。但是由于反应温度在1100℃以上,锡蒸汽扩散法无法摆脱纯铌基底,因此不可避免地在机械稳定性、导热性等方面有缺陷,难以满足未来高可靠性加速器的应用。青铜法广泛应用于铌三锡线缆的制备,热处理温度不高于700℃,具有制备铜基铌三锡镀膜腔的潜力。此外,电化学镀膜与其他方式相比,具有成本低、反应过程容易控制、常温常压等明显优势。本工作将上述两种工艺结合起来,研究了电化学方式在1.3 GHz铌基超导腔上镀青铜前驱体,之后热处理合成铌三锡薄膜腔。垂测结果表明,4.2 K下的薄膜腔本征Q0为6×108左右且仍具很大提升空间。

关键词：射频超导镀膜铌三锡电化学