低頻率低β低溫氮摻雜HWR超導腔的性能測試

陳 蒙，朱 鳳,*，馮立文，全勝文，郝建奎，王 芳，林 林，陳 術，程安齊

(1.北京大學 核物理與核技術重點實驗室，北京 100871；2.北京大學 物理學院 重離子物理研究所，北京 100871)

中國原子能科學研究院和北京大學聯合提出的北京在線同位素分離豐中子束流裝置(BISOL)是新一代大型核科學研究裝置。該裝置將采用反應堆驅動和強流氘核加速器驅動的雙源驅動方案[1]。強流氘核加速器(IDD)既可產生放射性核素用于基礎研究，也可產生強流中子束用于核能系統的材料學研究。射頻超導加速器作為強流氘加速器主要的加速結構可將氘束從3 MeV加速至40 MeV。強流氘加速器第一階段的設計流強為10 mA，未來可升級到加速50 mA的連續波氘束?；诖耍本┐髮W設計了用于加速高流強氘束的β=0.09、頻率為162.5 MHz半波長諧振(HWR)超導腔，并對其進行了低溫射頻超導性能測試。

對超導腔進行氮摻雜可顯著提高腔的品質因數Q0，并會出現Q0傾斜上升(anti-Q-slope)現象。在射頻超導領域，特別是對于頻率大于1.0 GHz的超導腔，氮摻雜是目前的研究熱點[2]。斯坦福直線加速器中心(SLAC)的直線加速器相干光源(LCLS-Ⅱ)決定使用氮摻雜技術將1.3 GHz射頻超導腔的品質因數在16 MV/m時提高到2.7×1010 [3]。通常，氮摻雜能提高腔體的品質因數，但會導致最大加速梯度下降。為同時實現高加速梯度和高品質因數，費米實驗室(Fermilab)對1.3 GHz 橢圓形腔進行了低溫氮摻雜實驗，并取得了很好的結果[4]。

但到目前為止，關于低頻低β超導腔的高溫氮摻雜或低溫氮摻雜的研究尚未見報道。為探究氮氣處理對162.5 MHz HWR超導腔的影響，本文對該腔進行低溫氮摻雜處理。

1 HWR超導腔低溫性能測試

1.1 HWR超導腔設計

用于高流強束流加速的β=0.09、頻率為162.5 MHz的HWR超導腔束流孔徑為40 mm，其內外導體均為錐形(taper)，內導體末端漂浮段為環形。這種結構設計可使腔體具有更低的表面場、更高的分路阻抗以及更好的機械性能[5]。腔體的設計參數列于表1，其中，βg為腔體幾何β，Epk和Bpk分別為腔體內表面峰值電場和磁場，Eacc為腔體加速梯度，R/Q0表示腔體分路阻抗R與品質因數Q0的比值，該參數僅與腔的幾何形狀有關。腔體的短路面采用非對稱式倒角的扁平結構，有利于抑制短路面區域的二次電子倍增效應(MP)。裝配好的HWR超導腔示于圖1。

表1 β=0.09 HWR超導腔設計參數Table 1 Design parameters of β=0.09 HWR cavity

圖1 高真空電子束焊接完成后的β=0.09 HWR超導腔Fig.1 β=0.09 HWR cavity after fabrication

1.2 HWR超導腔低溫測試

腔體裝配好后，先經過150 μm的標準緩沖化學拋光(BCP)處理，除去內表面污染物，使內表面更加光滑，然后進行800 ℃高溫退火除氫，再經輕度BCP處理，最后對腔內表面進行107Pa高壓水沖洗，去除內表面的灰塵和顆粒物。

腔體后處理完成后，通過功率耦合口對腔體饋入功率并進行低溫垂直測試。腔體在4.2 K和2 K溫度下的垂直測試結果示于圖2。其中，探測器檢測到的當量劑量率用于表征由于腔體內表面發生場致發射，電子逃逸出腔內表面，經腔內電磁場加速后碰撞腔壁引起的輻射。由圖2可見，該taper結構的HWR超導腔低溫測試結果非常好，最大加速梯度在4.2 K時達14.5 MV/m，在2 K時達17 MV/m。場致發射從14 MV/m開始出現，導致加速梯度無法繼續提高。一般情況下，圓柱形的HWR超導腔加速梯度在10 MV/m以下，該HWR超導腔較絕大多數的圓柱形腔加速梯度高。因此，該超導腔未來可工作在更高的加速梯度下。

圖2 4.2 K和2 K時HWR超導腔Q0隨加速梯度Eacc的變化Fig.2 Q0 vs Eacc of HWR cavity at 4.2 K and 2 K

2 低溫氮摻雜處理

超導腔的氮摻雜主要分為兩種：高溫氮摻雜和低溫氮摻雜。這兩種氮摻雜技術有兩個主要的不同點：一是高溫氮摻雜后需對腔體內表面進行幾μm的電拋光(EP)處理，但采用低溫氮摻雜后的超導腔不用進行額外的拋光；二是兩種方法對超導腔進行氮氣處理的時間和溫度不同。高溫氮摻雜需要800 ℃ 高溫，而低溫氮摻雜所需的溫度低得多。由于β=0.09 HWR超導腔的內外導體為taper結構，結構較復雜，不利于進行電拋光處理，因此低溫氮摻雜更適合于此類結構復雜腔型。

對于162.5 MHz的HWR超導腔，由于超導微觀理論電阻(BCS電阻)很低，低溫氮摻雜的效果可能不如1.3 GHz 超導腔明顯。氮摻雜理論計算[6]表明，162.5 MHz超導腔低加速場(簡稱低場)下的Q0在4.2 K時能增加1倍，但在2 K時沒有明顯增加。

圖3 4.2 K和2 K下低溫氮摻雜HWR超導腔Q0隨Eacc的變化Fig.3 Q0 vs Eacc of HWR cavity before and after nitrogen infusion treatment at 4.2 K and 2 K

在對腔體經過3 h、800 ℃ 高溫退火后直接進行48 h低溫氮摻雜處理，氮氣壓強保持在3 Pa，環境溫度為160 ℃。低溫氮摻雜后，對腔進行高壓水沖洗和低溫垂直測試，4.2 K和2 K下低溫氮摻雜前后的射頻性能測試結果示于圖3。Q0在低場時接近原來的2倍，這與理論計算相符。4.2 K下，低溫氮摻雜前后Q0隨Eacc的變化曲線在整個加速梯度區間內均有Q0傾斜下降(Q-slope)現象，Q0也僅略高于摻雜前，腔體性能沒有明顯提升。2 K下，低溫氮摻雜能在低場下提高Q0，且改善中場段的Q-slope現象。但由于場致發射，腔體在高場時仍有Q-slope現象。其中，低場尤其是中場Q0的增加是理論計算沒有預測到的。因此，160 ℃低溫氮摻雜后HWR超導腔的表面電阻有可能與氮摻雜處理過的不同，對其表面電阻的變化仍需進一步研究。從測試結果來看，低溫氮摻雜前，加速梯度為10 MV/m的Q0為6.5×109，摻雜后為1.36×1010，品質因數增加了1倍多。因此，如果腔體運行梯度為10 MV/m，在2 K的溫度下，低溫氮摻雜處理后的腔體優勢非常大，Q0可達到摻雜前的2倍以上。

3 結論

本文主要介紹了β=0.09、頻率為162.5 MHz的錐形HWR超導腔的設計和低溫射頻性能測試，并對腔體進行了低溫氮摻雜處理。垂直測試結果表明，低溫氮摻雜前，該HWR超導腔可達到很高的加速梯度，最大加速梯度為17 MV/m，低場下Q0可達1×1010；低溫氮摻雜后，在4.2 K溫度下，腔體在極低場可獲得更高的Q0，但由于整個加速區間內存在Q-slope現象，因此并沒有特別的優勢。但在2 K溫度下，Q0在加速梯度為10 MV/m時提升至原來的2倍。如果未來超導腔運行在2 K溫度下，加速梯度為10 MV/m，低溫氮摻雜后的HWR超導腔低溫射頻性能優勢很大。另外，對于低溫氮摻雜如何影響低β射頻超導腔的表面電阻，仍需進一步研究解釋。