高Q超导腔磁通排出研究

Magnetic flux expulsion is the key technology of nitrogen doped cavity to improve quality, reduce the cost of cryogenic system construction and accelerator running. It is a strong comprehensive subject, including microwave, cryogenics, mechanical, vacuum, electromagnetic, materials, surface treatment, and many other fields. Involving high precision microwave test, internal remanent magnetism measure and control of Dewar and cryomodule, superconducting cavity fast cooling down and other cutting-edge research and high technology. Magnetic flux expulsion of nitrogen doped cavity is currently one of research hotspots in the field of the accelerator in the world. And it is widely used in various accelerator devices. This project aims to study the core physical mechanism and key process technology through theoretical simulation and experimental test, simulate the magnetic flux distribution on the cavity surface under ideal flux expulsion of superconducting cavity, establish the physical model of magnetic flux expulsion of nitrogen doped superconducting cavity. Design and optimize the fast cooling down of cryogenic system, magnetic flux measurement and control, and the process of superconducting cavity according to the physical mechanism. To develop new technology to maximize the magnetic flux expulsion efficiency of superconducting cavity. Accumulating experimental data and guiding our technical research by domestic existing platform for performance testing. It is hoped that through the research of this topic, training the team, promoting the development of relevant new technologies in China, and improving the competitiveness of science and technology.

磁通排出是提高掺氮超导腔Q值，降低低温系统建造和加速器运行成本的关键技术，学科综合性强，涉及包括微波、低温、机械、真空、电磁、材料、表面处理等诸多领域。其中，涉及高精度微波测试、超导腔测试杜瓦和恒温器内部剩磁测量控制、超导腔快速降温等前沿研究和高技术工艺，是目前国际上加速器领域的研究热点之一。并且在多种加速器装置具有广泛的通用性。本项目旨在通过理论模拟和实验测试研究，对核心物理机制和关键工艺技术深入研究，模拟超导腔理想磁通排出情况下腔表面的磁通分布，对掺氮超导腔的磁通排出效应给出其物理模型。根据物理机制对超导腔的快速降温、低温环境下磁场的测量控制，以及超导腔的处理工艺进行设计和优化，发展新技术工艺最大化超导腔的磁通排出效率。利用国内已有平台进行性能测试，积累实验测试数据，指导我们的技术研究。希望通过该课题的研究，培养人才队伍，推动国内相关新技术的发展，提升科技竞争能力。

提升超导腔的Q值能很大程度上降低加速器低温系统建造和运行成本，其中影响超导腔Q值提升的一个重要因素是磁通钉扎导致的电阻。因此本课题开展了高Q腔磁通排出的研究。本课题对超导腔磁通排出实验测量方法、超导腔测试系统及精度、超导腔磁通排出效率与降温关系、不同工艺处理的超导腔对钉扎磁场的敏感度、超导腔测试技术工艺等内容进行了研究。通过研究：建立了超导腔磁通排出测量的计算和测量方法；并研制了一套磁通测量和控制系统；基于数字自激算法设计并实现超导腔垂直测试系统提高了超导腔的垂直测试效率和精度；研制了超导腔垂直测试模式串扰抑制系统。通过实验研究得出高的表面温度梯度有利于超导腔的磁通排出；宁夏东方钽业公司铌材在750℃高温退火情况下，磁通不能有效排出，需要改进超导腔的退火温度；超导腔不同位置的磁通排出或俘获效率存在差异，超导铌材的均匀和一致性需要进一步改善；俘获磁通敏感度随着加速梯度的升高而增大，并呈一定的线性关系。通过对不同工艺处理超导腔的敏感度分析，中温退火超导腔的磁场敏感度略高于掺氮腔，掺氮腔的磁场敏感度高于EP腔的敏感度；磁通排出效果与超导腔的温度梯度有关；增大降温速率，以及从更高温度开始降温主要是让超导腔产生大的温度梯度；磁通排出效果与表面温度梯度和超导腔所处环境磁场强度直接相关；分析了1.3 GHz 9-cell超导腔的降温过程中热电流导致的磁场变化，在超导腔的测试过程中需要隔断热电流，避免热电流引起超导腔磁通的钉扎；制定了测试技术工艺流程，超导腔测试过程中需要严格控制横向磁场，优化了~40K作为超导腔第二阶段平衡温度的降温起始点，在超导腔磁通有效排出的情况下，避免过大的横向磁场。本课题的研究成果已经成功用于1.3GHz 9-cell中温退火超导腔上，腔的Q值得到显著改善，为今后大科学装置项目的应用奠定了重要基础。