超导腔的掺氮技术研究

High gradient and low loss SC cavity is the frontier of accelerator technology. During the last two years, a new surface processing technology of SC cavity called “N-doping” has been researched abroad, which increase the quality factor “Q0” of cavity obviously. The N-doping experiments of 1.3 GHz elliptical cavity show that it can increase Q0 by 1~2 times. And domestic research of N-doping hasn’t been carried out yet. Moreover, research of N-doping is focused on 1.3 GHz elliptical cavity at present, which have small dimension and simple structure. But research on large-scale elliptical cavity (frequency: 500MHz, 650MHz, etc) and complex-structure coaxial cavity (Spoke, HWR, etc) is little. Therefore, theory of N-doping will be studied deeply in this program. Related experiments and research on 500MHz elliptical cavity and Spoke coaxial cavity will be finished. The N-doping theory would be more perfect with the research achievements all over the world. This key technology will be learned and mastered fully.

高加速梯度、低损耗的超导腔是加速器技术发展的前沿。近两年来，国外开始研究一种新的超导腔表面处理技术——N-doping（掺氮），能够显著提高超导腔的品质因数Q0，1.3GHz椭球腔的N-doping实验表明，其使得Q0提高了1~2倍；而国内关于N-doping的研究还未深入开展。另外，目前的N-doping研究主要针对1.3GHz椭球腔，腔形尺寸较小、结构简单，而对于较大尺寸的椭球腔（频率为500MHz、650MHz等等）和结构复杂的同轴超导腔（Spoke型、HWR型等等），研究较少。因此，本项目将深入探讨N-doping的原理，针对500MHz椭球腔和Spoke同轴腔开展相关的实验研究，并结合国内外的研究成果，进一步完善N-doping的理论，充分认识并掌握这一关键技术。

高品质因数（高Q）超导腔可以大幅降低超导腔的功耗，节约超导加速器的造价和运行费用，已成为当今加速器领域的研究热点。本项目重点研究提高超导腔Q值的关键技术——掺氮，纯铌超导腔经过掺氮后，可以大幅降低表面电阻从而提高Q值（1~2倍）。这种技术已被美国的直线加速器相干光源二期（LCLS-II）、中国的上海硬X射线自由电子激光（SHINE）所采用，未来的国际直线对撞机（ILC）、环形正负电子对撞机（CEPC）也将采用这一技术，应用前景十分广阔。本项目从穿透深度、平均自由程、相干长度、费米速度、能量间隙等基本物理参数出发，深入探索了掺氮的物理机制，研究了超导腔频率（650MHz、1.3GHz、3.9GHz）对掺氮效果的影响，开展了掺氮超导腔的磁通俘获研究。在这些研究的基础上完成了650MHz、1.3GHz、3.9GHz超导腔的掺氮实验和垂直测试。经过3年的不懈努力，本项目取得了优异的成果：两只650 MHz 1-cell超导腔经过掺氮后，腔的Q值均获得大幅度提高（≥7.0E10 at 2.0K），这是国内首次明确观察到掺氮对超导腔（细晶）Q值的提升现象；1.3GHz 1-cell超导腔经过掺氮后，垂测结果达到3.3E10@18MV/m，Q值比掺氮前提高了1倍，这是国产超导腔（细晶）第一次达到SHINE的设计指标（2.7E10@16MV/m）。此外，本项目的研究成果已经申请一项发明专利（一种超导腔氮掺杂方法）。