Радиочастотный сверхпроводящий резонатор RRR300
Способ изготовления монокристаллического ниобия для радиочастотных сверхпроводящих резонаторов включает рафинирование и очистку тугоплавкого металлического ниобия для получения слитков ниобия с размером зерна Φ100 мм и более и остаточным удельным сопротивлением RRR 300 и более. Затем отдельные зерна разрезают, прокатывают и подвергают термической обработке для получения монокристаллических ниобиевых пластин или листов. Процесс рафинирования и очистки включает многократную плавку и очистку тугоплавкого металлического ниобия с помощью вакуумного электронного пучка для получения слитков Φ250 мм и более, максимальным диаметром зерна 100–140 мм и остаточным удельным сопротивлением RRR 300 и более.
Высокоэнергетические ускорители частиц используют мощное микроволновое (радиочастотное) излучение для создания электрического поля высокой интенсивности в резонансной полости, ускоряющей заряженные частицы. Резонансная полость высокочастотного сверхпроводящего ускорителя изготовлена из высокочистого металлического ниобия, отвечающего определенным требованиям и работающего при низких температурах. Сверхпроводящий ускоритель состоит из ряда ускоряющих компонентов. Компоненты сверхпроводящего ускорителя включают сверхпроводящую полость, термостат, обеспечивающий криогенную среду, необходимую для работы полости RRR 300, микроволновый ответвитель мощности, компенсатор помех (ответвитель мод высшего порядка) и соответствующее измерительное и управляющее оборудование.
По сравнению с обычными линейными ускорителями, работающими при комнатной температуре, высокочастотные сверхпроводящие ускорители обладают следующими преимуществами:
(1) Чрезвычайно низкие потери мощности и высокоэффективная рекуперация энергии.
(2) Может работать в режиме длинных импульсов (миллисекундного уровня) или даже непрерывно, что обеспечивает высокую среднюю мощность, в то время как обычные ускорители могут работать только в режиме коротких импульсов, что обеспечивает значительно более низкую среднюю мощность.
(3) Сверхпроводящие ускорители могут использовать большие апертуры пучка, что подходит для ускорения сильноточных пучков частиц.
(4) Хорошая стабильность.
Сверхпроводящий резонатор является основным компонентом сверхпроводящего ускорителя. Сверхпроводящий резонатор представляет собой радиочастотный резонансный резонатор; сверхпроводящий резонатор, используемый в ускорителе, можно назвать радиочастотным сверхпроводящим ускорительным резонатором или просто сверхпроводящим резонатором. Его структура показана на рисунке 1. Сверхпроводящий ускоритель состоит из большого количества последовательно соединенных сверхпроводящих резонаторов, и характеристики ускорения высокопроизводительного сверхпроводящего ускорителя связаны с характеристиками ускорения его радиочастотного сверхпроводящего резонатора. Ключевыми показателями для изготовления высокопроизводительных сверхпроводящих резонаторов являются резонансная напряженность электрического поля Eacc и добротность резонатора Q. Более высокая Eacc приводит к более высокой эффективности ускорения, что позволяет сократить длину ускорителя и снизить стоимость. Более высокая Q указывает на меньшие потери тепла со стенок резонатора при тех же условиях. В настоящее время сверхпроводящие резонаторы в основном изготавливаются из чистого ниобия или тонких ниобиевых пленок. На протяжении более 20 лет международное сообщество последовательно использует однородные ниобиевые материалы с размером зерна не менее 6-го уровня для изготовления сверхпроводящих резонаторов, и были установлены соответствующие стандарты. Благодаря постоянным усилиям на протяжении многих лет добротность и градиент ускорения сверхпроводящих резонаторов из чистого ниобия были значительно улучшены. Например, градиент ускорения сверхпроводящего резонатора из чистого ниобия с частотой 1,5 ГГц увеличился с прежних 6-7 МВ/м до приблизительно 20 МВ/м в настоящее время. В настоящее время исследования в области сверхпроводящих ускорителей по-прежнему сосредоточены на улучшении характеристик ускорения сверхпроводящих резонаторов. В настоящее время для изготовления сверхпроводящих резонаторов используются монокристаллические ниобиевые материалы, обладающие значительными преимуществами по сравнению с резонаторами из традиционных ниобиевых материалов, с градиентом ускорения, увеличенным примерно до 30 МВ/м.
Монокристаллические ниобиевые блоки, вырезанные из крупнозернистых ниобиевых слитков (размер зерна около 100 мм и более), прокатываются и перерабатываются в ниобиевые листы диаметром 266–495 мм и толщиной 3–3,5 мм. Эти листы затем подвергаются снятию напряжений, механической обработке поверхности и химической обработке до достижения толщины 2,8–3 мм. Этот процесс существенно устраняет границы зерен и влияние зернограничных примесей на свойства сверхпроводящей поверхности. С точки зрения радиочастотной сверхпроводимости, его сверхпроводящие характеристики превосходят характеристики традиционных мелкозернистых ниобиевых пластин (уровня 6 и выше).
Использование крупнозернистого ниобия для производства монокристаллов значительно улучшает сверхпроводящие характеристики сверхпроводящих ниобиевых резонаторов. Благодаря той же обработке и применению сверхпроводящие резонаторы, изготовленные из монокристаллического ниобия, демонстрируют значительно более высокие градиенты ускорения и добротности, чем традиционные сверхпроводящие резонаторы, что представляет собой прорывное улучшение характеристик. Сверхпроводящие резонаторы из монокристаллического ниобия являются перспективным новым материалом для будущего развития сверхпроводящих ускорителей.