1.3GHz单Cell大晶粒铌超导射频腔研究

论文摘要

本文采用了大晶粒和多晶粒铌制造了9个1.3 GHz单Cell超导射频腔,总结分析了大晶粒铌制造加工超导腔的技术特点。三个大晶粒铌超导腔用电解抛光来处理表面,其中一个重复取得了高于47.0 MV/m的加速梯度,另一个超导腔也达到了43.0 MV/m的高梯度。另外两个大晶粒铌超导腔用化学抛光作为最终的表面处理程序,测试取得的加速梯度都在32.0 MV/m之上,最高达到40.2 MV/m。本文的研究显示了大晶粒铌取得高加速梯度(接近50 MV/m)的可能性,并总结出了两套表面处理工艺,分别基于电解和化学抛光。经过对比研究,化学抛光的大晶粒铌超导腔的品质因数比电解抛光大晶粒或多晶粒铌超导腔的要高50 %以上,低场强下2.0 K的表面电阻要小,这些将有助于减小低温损耗,并从理论上进行了解释和分析。这充分显示了大晶粒铌的优越性,对国际直线对撞机和基于能量回收加速器的同步辐射装置等项目具有重要的价值。本文的研究也为进一步研究限制超导腔性能提高的损耗机理提供了实验依据。在本文的超导腔低温垂直测试过程中,通过实际的测试比较分析了两种模式的测试差别,为今后的测试提供了参考。另外,本文还研究了BEPCII超导磁体和射频腔低温系统的冷却过程,并对超导低温系统的初步调试进行了分析,为工程的进展提供了理论参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 在加速器领域研究低温超导技术的驱动力
• 1.1.1 粒子物理研究对加速器的需求
• 1.1.2 前沿加速器
• 1.1.3 LHC 和ILC
• 1.1.4 低温超导加速器
• 1.2 大晶粒铌超导射频腔
• 1.2.1 超导射频腔的优点
• 1.2.2 国际直线对撞机的超导射频腔
• 1.2.3 大晶粒铌超导射频腔研究背景和意义
• 1.3 BEPCII 超导低温系统.
• 1.3.1 从BEPC 到BEPCII
• 1.3.2 BEPCII 低温系统冷却过程研究
• 1.4 本文的组织结构
• 第2章 超导射频腔基础
• 2.1 电磁波的传播
• 2.1.1 电磁波在真空和绝缘介质中的传播
• 2.1.2 有导体存在时的电磁波传播
• 2.2 谐振腔
• 2.2.1 谐振腔内的微波电磁场
• 2.2.2 射频能量损耗和谐振腔的参数
• 2.3 超导体的电磁性质
• 2.3.1 超导体的基本电磁现象
• 2.3.2 超导体的宏观唯象理论
• 2.3.3 超导微观理论
• 2.3.4 微波电磁场中的超导电性
• 第3章 大晶粒铌超导射频腔的加工制造和表面处理
• 3.1 超导腔的材料选择和腔形优化
• 3.1.1 高梯度超导腔研究
• 3.1.2 超导射频腔的材料
• 3.1.3 高梯度腔型
• 3.2 大晶粒铌超导腔的制造
• 3.2.1 大晶粒铌片的技术指标
• 3.2.2 腔体成形
• 3.3 大晶粒铌超导腔的表面处理
• 3.3.1 机械抛光
• 3.3.2 化学抛光（CP）和电解抛光（EP）
• 3.3.3 退火
• 3.3.4 高压水冲洗
• 3.3.5 洁净间装配
• 3.3.6 低温烘烤（Baking）
• 第4章 超导射频腔低温垂直测试研究
• 4.1 谐振腔对激励的反应
• 4.1.1 谐振腔的耦合器
• 4.1.2 谐振腔的暂态过程
• 4.1.3 谐振腔的稳态过程
• 4.1.4 谐振腔对低功率矩形射频脉冲波的响应
• 4.2 超导射频腔低温垂直测试原理
• 4.2.1 脉冲波模式（Pulse mode）.
• 4.2.2 连续波模式
• 4.2.3 超导射频腔性能参数计算
• 4.3 超导射频腔的低温垂直测试系统
• 4.3.1 低电平控制系统和测试系统
• 4.3.2 测试系统线路校准
• 4.3.3 一个测量过程
• 4.4 两种测试方法的差别研究
• 第5章 大晶粒铌超导射频腔的非正常损耗分析
• 5.1 研究超导腔非正常损耗的方法
• 5.1.1 全局评估方法
• 5.1.2 局部评估方法
• 5.2 场致发射（FE）
• 5.2.1 场致发射现象
• 5.2.2 场致发射理论
• 5.2.3 几何场增强模型
• 5.2.4 消除场致发射的方法
• 5.3 热不稳定性（THERMAL BREAKDOWN）
• 5.3.1 热不稳定型模型
• 5.3.2 热不稳定性的类型
• 5.3.3 估算热不稳定性
• 5.3.4 消除热不稳定定性的方法
• 5.3.5 大晶粒铌超导腔热不稳定性分析
• 5.4 电子倍增效应（MULTIPACTING, MP）
• 5.4.1 电子倍增效应现象
• 5.4.2 电子倍增效应理论
• 5.4.3 次电子发射
• 5.4.4 次电子倍增效应的类型
• 5.4.5 大晶粒铌超导腔的MP 分析
• 5.5 氢中毒
• 5.5.1 氢中毒现象
• 5.5.2 氢中毒机理
• 5.5.3 大晶粒铌超导腔的氢中毒研究和分析
• 5.6 Q-SLOPE 和磁场增强效应
• 5.6.1 Q-slope 现象的机理
• 5.6.2 去除高梯度的Q-slope 和磁场增强效应
• 5.6.3 大晶粒铌超导腔Q-Slope 和磁场增强效应分析
• 第6章 大晶粒铌超导射频腔研究
• 6.1 EP 对大晶粒铌超导腔的作用
• 6.1.1 EP 研究计划
• 6.1.2 ChinaLG#1
• 6.1.3 ChinaLG#2
• 6.1.4 ChinaLG#3
• 6.1.5 EP 和Baking 对大晶粒铌超导腔性能的影响
• 6.1.6 大晶粒和多晶粒铌超导腔性能比较研究
• 6.2 CP 对大晶粒铌超导腔的作用
• 6.2.1 CP 研究的计划
• 6.2.2 IHEPLG#2
• 6.2.3 IHEPLG#1
• 6.2.4 IHEPFG#3
• 6.2.5 CP 对于大晶粒铌超导腔性能的影响
• 6.2.6 CP 和EP 的大晶粒铌超导腔性能对比研究
• 6.3 大晶粒铌和多晶粒铌表面电阻研究
• 6.4 超导射频腔洛仑兹力试验研究
• 第7章 BEPCII 超导低温系统研究
• 7.1 BEPCII 超导低温系统.
• 7.1.1 超导射频腔
• 7.1.2 超导插入四极磁铁
• 7.1.3 探测器超导螺线管磁铁
• 7.1.4 超导磁体低温系统
• 7.2 BEPCII 低温系统的模拟计算研究
• 7.2.1 物理模型和计算方法
• 7.2.2 计算结果和讨论
• 7.3 超导磁体系统的初步调试
• 总结与展望
• 本文研究工作总结及创新点
• 今后工作的展望
• 参考文献
• 发表文章
• 致谢