《Spoke射頻超導腔的等離子後處理技術研究》是依託北京大學，由謝大弢擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：Spoke射頻超導腔的等離子後處理技術研究
- 依託單位：北京大學
- 項目負責人：謝大弢
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
現今的先進核能和核燃料循環技術領域中,強流質子直線加速器是倍受關注的焦點,而Spoke射頻超導加速腔則是用於強流質子加速器的核心技術。目前600 ～ 800MHz的Spoke腔在後處理技術方面遇到困難，本課題提出了用電漿後處理技術專門解決Spoke腔的後處理問題。我將通過幾方面的研究，實現該技術在Spoke腔上的套用，檢測Spoke腔經過等離子後處理後的整體效果。（1）用局部等離子處理的組合完成整腔的等離子後處理，考察整腔的場致發射，Q值和加速性能的改善效果；（2）開展電漿和鈮金屬表面相互作用的基礎實驗和理論研究，研究電漿去除碳、酸液和氫氣氣體的殘留的物理規律。（3）電漿刻蝕技術對Nb表面的修飾功能，研究電漿抑制Nb表面場致發射和改變Nb表面形貌的規律。由於等離子後處理技術具有潔淨、簡單、可進行局部控制、成本低廉、安全可靠等特點，在推廣套用方面有很大的優勢。
結題摘要
本課題從基礎實驗的方向開始對等離子清洗射頻超導腔的物理原理，清洗工藝，整體的清洗結果進行了驗證。其主要的研究進展是通過表面的物理分析手段對一些影響超導腔的性能的“輕”元素進行了實驗和測量研究。其中的元素包括H、O、N、C、F等元素。這些元素在超導腔的後處理過程中（酸洗，高壓水沖洗，低溫烘烤），會殘留在超導腔的內表面。造成超導腔的場致發射效應、Q值等性能下降。而且超導腔傳統的後處理工藝無法解決這些殘留問題。 通過飛行時間二次離子質譜TOF-SIMS等測量技術，結合等離子清洗工藝我們得到了鈮表面H、O、N、C、F等“輕元素”的分布和相互作用。結果發現：H、F、C元素在Nb的體材料中廣泛存在。同時由於表面的吸附作用還會出現高濃度的C和H出現。O，Ar的等離子清洗會在Nb的表面形成30nm的厚氧化層結構。由於該氧化層的出現會使表面氧化層內的H、F、C的濃度降低。同時還有表面清洗作用，降低表面的C，H雜質的吸附濃度。 另一方面N的等離子清洗會在Nb的表面形成一層10nm厚的氮化層。該氮化層的厚度不受O的影響獨立存在。而且Ar的電漿清洗也會使氧化層增厚（10nm左右）。該結果表明單單用N2進行等離子清洗是一個新的方向。一方面N2的清洗可以出去表面C，H的污染。另一方面氮化層的出現也可以降低表面H、F和C的濃度。目前美國的阿貢實驗室ＳＮＳ，通過Ｎｅ氣的電漿線上清洗超導腔的實驗報導已經使超導腔的Ｑ值提高了１～２倍。氮的等離子清洗是目前發展的一個方向。 本項目通過特殊的微波電極結構設計，對spoke腔和Tesla腔進行了等離子清洗實驗。結果表明特殊形狀的電極結構可以控制電漿的分布和穩定性。對超導腔的重要部分進行均勻的清洗。用於清洗的電漿功率和密度的只能清洗超導腔表面的“輕”元素。對金屬元素沒有刻蝕的作用，因此電極的材料採用鈮和不鏽鋼就可以滿足要求。絕緣材料採用石英玻璃或陶瓷也可以滿足要求。實驗結果沒有發現石英和不鏽鋼材料對Ｎｂ產生污染。該電極可饋入２００Ｗ的微波功率，穩定運行時間超過６個小時以上。完全可以推廣到大型的超導腔清洗技術。 我們對電漿清洗後的超導腔進行了２Ｋ的低溫測試。對等離子清洗對超導腔的射頻超大性能進行了實驗。其第一次實驗結果表明電漿清洗的氧化層結構對超導材料內表面的ＢＣＳ電阻有不好的影響。其中也驗證了基礎實驗中氧化成的出現和射頻超導特性的關係。
