我国首套铜铌复合腔超导加速单元研制成功

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为超导加速器工业化应用提供稳定技术方案
由中国科学院近代物理研究所自主研制的我国首套铜铌复合腔超导加速单元日前通过各项测试。这一成果的取得，将有力提升我国在加速器领域的技术水平，为超导加速器的工业化应用提供更加经济和高效的技术方案。
超导加速器在高通量中子源、高通量缪子源等兆瓦级高功率离子束应用中具有显著优势，能够应用于核废料嬗变处理、稀有同位素生产等国家重大战略需求领域。超导腔是超导加速器的核心组成部分，具有加速电场高、加速效率高等特点。兼具高性能与高稳定性的超导加速方案是实现兆瓦级高功率离子束应用的关键。
然而，传统纯铌超导腔的稳定性在面向高功率离子束应用场景方面还存在巨大的挑战。由于通常采用3至5毫米厚的薄壁结构，其对液氦压力波动、机电振荡及内壁电磁压力等环境噪声异常敏感，导致腔体的频率发生漂移，影响超导腔稳定运行。
针对这一问题，研发团队提出了新的复合材料技术路线，即充分利用纯铌良好的射频超导性能、厚铜层良好的导热性能和机械强度，从而提高超导腔的传热能力和环境噪声抵抗能力。团队经过5年多努力，在铜和铌之间引入过渡金属层，攻克了铜铌界面材料难以互溶的难题，实现了铜和铌的高强度结合，还解决了复杂曲表面覆高品质厚铜层等多个技术难题。
该团队研发的超导加速单元由9支半波长型铜铌复合超导腔组成。在4.2K（约零下269摄氏度）的低温测试环境中，铜铌复合超导腔的平均表面峰值电场达到35兆伏每米，其加速能力与原纯铌超导腔的最好水平相当；其平均腔体频率洛伦兹失谐系数和平均腔体频率氦压敏感系数分别降至约-4.9赫兹每平方兆伏每米和-2.9赫兹每毫巴，是原纯铌超导腔单元对应值的50%和15%，这两项系数越小，说明腔体的频率稳定性越好。
此外，与通常依赖昂贵2K（约零下271摄氏度）液氦系统进行制冷的纯铌超导腔相比，铜铌复合超导腔能够在成本相对低廉的4.2K（约零下269摄氏度）液氦环境中实现高稳定运行，大幅降低制冷成本。（记者王冰雅、尚杰）
来源：光明日报

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