一种提高超导腔机械稳定性的方法

1.本方法属于粒子加速器技术领域，涉及一种提高超导腔机械稳定性的方法。


背景技术：

2.射频超导谐振腔(简称超导腔)是超导加速器的关键部件之一，具有加速梯度高、功率损耗小等优点，其作用是将射频电磁场储能转化为带电粒子的动能，从而使带电粒子获得加速、减速、聚束、散束、偏转。目前超导腔主要由导热性能较差且成本高的rrr大于30纯铌板制成，运行时腔体浸泡在2k或4.2k的液氦中以保证其处于超导状态。由于超导腔体为薄壳结构且壁厚为1～4mm，导致其机械稳定性差，在运行时容易受氦压波动、洛伦兹力以及其他外部震动的影响，从而限制了超导腔的稳定运行。
3.目前国际上通常采用的提升腔体的机械稳定性方案是在腔体机械形变较大的地方增加由低纯铌制成的加强筋，这种方案具有以下缺点：低纯铌的导热性能比高纯铌更差，因此在设计超导腔加强筋的时候，通常会采用的是较窄的环状加强筋或杆状加强筋，单个加强筋与腔壁接触面积小，对机械稳定性的提升有限，添加强筋的数量一方面会增加超导腔制造的成本和难度，而增加的腔壁厚度也会进一步限制腔体的导热。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种提高超导腔机械稳定性的方法，该方法采用厚度为1-4mm，rrr值大于30的纯铌板制造超导腔体，外导体机械稳定差的部分焊接铜板，该方法制备的射频超导腔体可以提高腔体的机械稳定性，提高射频超导腔体的热稳定性。
5.本发明提供的一种提高超导腔机械稳定性的方法，包括如下步骤：
6.(1)用rrr值大于30的高纯铌板制备超导腔；
7.(2)通过有限元仿真分析，确定超导腔表面覆铜位置的无氧铜件尺寸；
8.(3)根据所述超导腔不同覆铜部位的尺寸、样式，制造多个与超导腔不同部位匹配的无氧铜件；
9.(4)清洗焊接面后，在覆铜位置通过钎焊的方式焊接(3)中所述的无氧铜件。
10.上述的制备方法，步骤(1)中，所述高纯铌板的厚度可为1～4mm，如3mm。
11.上述的制备方法，步骤(1)中，所述超导腔的腔体可为偏转腔体或加速腔体。
12.上述的制备方法，步骤(2)中，所述有限元仿真分析的计算方法可为ansys和/或cst，具体可包括如下步骤：第一，计算在低温条件下氦压、抽真空等过程中形变大导致频率变化较大的部位；第二，在形变较大的部位，设计覆铜结构；第三、计算覆铜前后的频率，根据计算结果选择优化覆铜结构。
13.上述的制备方法，步骤(3)中，所述无氧铜件的厚度可为1～8mm，如4mm；
14.所述无氧铜件可由导热系数大于100w/(m
·
k)的无氧铜制成。
15.上述的制备方法，步骤(4)中，所述钎焊为真空钎焊，条件可如下：
16.真空度大于1
×
10-4
pa；
17.焊接温度为600～850℃(如815℃)；
18.钎料为agcu28、agcu27 pd5、agcu35.25ti1.75、agcu26.7ti4.5或agcu27.5ti2。
19.上述的制备方法，步骤(4)中，清洗焊接面可使用由酸进行清洗，再使用纯水冲洗、晾干；晾干后，使用真空钎焊焊接。所述酸可为按一定比例配置的弱酸，如使用由柠檬酸、氨基磺酸、双氧水、正丁醇和水组成的弱酸，也可为硝酸，如40％的硝酸。
20.本方法提供了一种提高超导腔机械稳定性的方法。区别于现有的采用低纯铌制成的加强筋提升腔体的机械稳定性方法，本发明方法用无氧铜板代替低纯铌加强筋对超导腔的机械薄弱区进行加固，增加加固部分与超导腔的接触面积，能够显著提高超导腔的机械性能且对其传热影响较小。首先通过常规方法制备1mm-4mm厚的纯铌超导腔，然后通过有限元分析的方法分析找出超导腔机械稳定性较差的区域，再通过冲压得到与此区域外表面贴合良好的铜板，对铌、铜焊接面使用酸进行清洗，再使用纯水冲洗晾干，最后通过真空钎焊将无氧铜板与超导腔焊接在一起。本发明方法具有如下有益效果：1)可减少制造成本，降低制造难度；2)相较于使用加强筋的超导腔，可以提升超导腔机械稳定性，有效降低超导腔的频率氦压敏感度(df/dp)，洛伦兹失谐系数(lfd)及外界振动的影响；3)可以采用传导冷却的方法来对超导腔进行冷却，提升超导腔体的热稳定性。
附图说明
21.图1为hwr-010腔(β＝010，频率162.5mhz半波长超导腔)外表面覆4mm的铜板模型的主视图(左)和剖图(右)。
22.图2为图1的中间部分(束流区)局部放大图。
23.图3为hwr010腔焊料槽剖图。
24.图中各标记如下：
25.1-腔体束流口；2-腔体外导体直段；3-外导体坡段；4-外导体中间束流段；5-端盖，6-内导体，7-铜层，8-铌超导腔壁，9-焊料槽。
具体实施方式
26.为了对本方法的目的、技术方案和优点更加清楚明了。以β＝010，频率162.5mhz的半波长射频超导腔体为例，并参照附图，对本方法进一步详细说明。
27.本发明提高超导腔机械稳定性的方法，包括如下步骤：
28.(1)用rrr值大于30的高纯铌板制备超导腔；
29.(2)通过有限元仿真分析，确定超导腔表面覆铜位置的无氧铜件尺寸；
30.(3)根据超导腔不同覆铜部位的尺寸、样式，制造多个与超导腔不同部位匹配的无氧铜件；
31.(4)清洗焊接面后，在覆铜位置通过钎焊的方式焊接无氧铜件。
32.本发明中，使用有限元仿真的方法对覆铜区域的结构进行模拟，计算分析得出超导腔外表面最优化的覆铜区域。例如，图1为β＝010，频率162.5mhz半波长超导腔外表面覆4mm的铜板模型的主视图和剖图。如图1所示，覆铜位置分别为腔体外导体直段2、外导体坡段3、外导体中间束流段4、端盖5、内导体6的外表面，如图2放大图所示，7、8分别为铜层以及超导腔的主体铌层。
33.本发明中，使用导热系数大于100w/(m
·
k)，厚度1至8mm的无氧铜冲压加工出与优化后的覆铜区域贴合良好的铜板。例如，如图2所示，在铜层7与铌超导腔壁8之间保留焊料的空间，焊料槽9见图3，对铜铌焊接面进行清洗，使用钎焊的方法进行焊接，得到铌腔外表面覆铜，最终与优化结果一致的超导腔。
34.下面结合具体实施例对本发明提高射频超导腔体机械稳定性及热稳定性的效果进行详细说明，但本发明并不局限于下述实施例。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，按照本领域内的文献所描述的技术或条件进行。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
35.实施例1、提高超导腔机械稳定性
36.按照如下方法对该射频超导腔体进行处理以提高其机械稳定性：
37.(1)β＝010，频率162.5mhz的半波长射频超导腔体，由厚度3mm，rrr值为320的纯铌板冲压、焊接制成。
38.(2)通过有限元仿真分析，确定超导腔外表面的最佳覆铜位置的无氧铜件的尺寸，具体步骤如下：第一，使用cst，进行hwr010的腔形设计；第二，将cst设计完成的模型导入ansys中进行模拟计算，分别计算在低温条件下氦压、抽真空等过程中形变大导致频率变化较大的部位；第三，在形变较大的部位，设计覆铜结构；第四，计算覆铜前后的频率，根据计算结果选择优化覆铜结构，直到满足最终的设计要求，通过数值得到覆铜区域如图1，2所示。
39.(3)根据超导腔不同覆铜部位的尺寸、样式，制造若干个与上述确定的最佳覆铜位置结构匹配的无氧铜件，无氧铜件的厚度为4mm，由导热系数为400w/(m
·
k)的无氧铜制成。
40.(4)对铌、铜焊接面使用40％的hno3清洗5分钟，再使用电阻率＞15mω的超纯水洗净20分钟并在洁净间晾干，在最佳覆铜位置通过真空钎焊的方式焊接无氧铜件(焊料槽9见图3)，焊接真空度大于10-4
pa，焊接温度为815
°
，钎料为agcu27pd5。
41.模拟条件为，耦合口自由状态，束流口刚度为50kn/mm，惯性约束的条线下，模拟计算的结果显示，未覆铜前的df/dp为-17.25hz/mbar，lfd为-4.87hz/((mv/m)^2)；而同等条件下，超导腔中间段覆盖4mm的铜的情况下，df/dp仅为-10.86hz/mbar，lfd为-2.86hz/((mv/m)^2)。模拟计算的结果表明，覆铜的情况优于裸腔，即未覆铜的结果。
42.由上述结果可以看出，本发明可以提升超导腔机械稳定性，有效降低超导腔的频率氦压敏感度(df/dp)，洛伦兹失谐系数(lfd)及外界振动的影响；可以采用传导冷却的方法来对超导腔进行冷却，提升超导腔体的热稳定性。