低频率低β低温氮掺杂HWR超导腔的性能测试

陈 蒙，朱 凤,*，冯立文，全胜文，郝建奎，王 芳，林 林，陈 术，程安齐

(1.北京大学 核物理与核技术重点实验室，北京 100871；2.北京大学 物理学院 重离子物理研究所，北京 100871)

中国原子能科学研究院和北京大学联合提出的北京在线同位素分离丰中子束流装置(BISOL)是新一代大型核科学研究装置。该装置将采用反应堆驱动和强流氘核加速器驱动的双源驱动方案[1]。强流氘核加速器(IDD)既可产生放射性核素用于基础研究，也可产生强流中子束用于核能系统的材料学研究。射频超导加速器作为强流氘加速器主要的加速结构可将氘束从3 MeV加速至40 MeV。强流氘加速器第一阶段的设计流强为10 mA，未来可升级到加速50 mA的连续波氘束。基于此，北京大学设计了用于加速高流强氘束的β=0.09、频率为162.5 MHz半波长谐振(HWR)超导腔，并对其进行了低温射频超导性能测试。

对超导腔进行氮掺杂可显著提高腔的品质因数Q0，并会出现Q0倾斜上升(anti-Q-slope)现象。在射频超导领域，特别是对于频率大于1.0 GHz的超导腔，氮掺杂是目前的研究热点[2]。斯坦福直线加速器中心(SLAC)的直线加速器相干光源(LCLS-Ⅱ)决定使用氮掺杂技术将1.3 GHz射频超导腔的品质因数在16 MV/m时提高到2.7×1010 [3]。通常，氮掺杂能提高腔体的品质因数，但会导致最大加速梯度下降。为同时实现高加速梯度和高品质因数，费米实验室(Fermilab)对1.3 GHz 椭圆形腔进行了低温氮掺杂实验，并取得了很好的结果[4]。

但到目前为止，关于低频低β超导腔的高温氮掺杂或低温氮掺杂的研究尚未见报道。为探究氮气处理对162.5 MHz HWR超导腔的影响，本文对该腔进行低温氮掺杂处理。

1 HWR超导腔低温性能测试

1.1 HWR超导腔设计

用于高流强束流加速的β=0.09、频率为162.5 MHz的HWR超导腔束流孔径为40 mm，其内外导体均为锥形(taper)，内导体末端漂浮段为环形。这种结构设计可使腔体具有更低的表面场、更高的分路阻抗以及更好的机械性能[5]。腔体的设计参数列于表1，其中，βg为腔体几何β，Epk和Bpk分别为腔体内表面峰值电场和磁场，Eacc为腔体加速梯度，R/Q0表示腔体分路阻抗R与品质因数Q0的比值，该参数仅与腔的几何形状有关。腔体的短路面采用非对称式倒角的扁平结构，有利于抑制短路面区域的二次电子倍增效应(MP)。装配好的HWR超导腔示于图1。

表1 β=0.09 HWR超导腔设计参数Table 1 Design parameters of β=0.09 HWR cavity

图1 高真空电子束焊接完成后的β=0.09 HWR超导腔Fig.1 β=0.09 HWR cavity after fabrication

1.2 HWR超导腔低温测试

腔体装配好后，先经过150 μm的标准缓冲化学抛光(BCP)处理，除去内表面污染物，使内表面更加光滑，然后进行800 ℃高温退火除氢，再经轻度BCP处理，最后对腔内表面进行107Pa高压水冲洗，去除内表面的灰尘和颗粒物。

腔体后处理完成后，通过功率耦合口对腔体馈入功率并进行低温垂直测试。腔体在4.2 K和2 K温度下的垂直测试结果示于图2。其中，探测器检测到的当量剂量率用于表征由于腔体内表面发生场致发射，电子逃逸出腔内表面，经腔内电磁场加速后碰撞腔壁引起的辐射。由图2可见，该taper结构的HWR超导腔低温测试结果非常好，最大加速梯度在4.2 K时达14.5 MV/m，在2 K时达17 MV/m。场致发射从14 MV/m开始出现，导致加速梯度无法继续提高。一般情况下，圆柱形的HWR超导腔加速梯度在10 MV/m以下，该HWR超导腔较绝大多数的圆柱形腔加速梯度高。因此，该超导腔未来可工作在更高的加速梯度下。

图2 4.2 K和2 K时HWR超导腔Q0随加速梯度Eacc的变化Fig.2 Q0 vs Eacc of HWR cavity at 4.2 K and 2 K

2 低温氮掺杂处理

超导腔的氮掺杂主要分为两种：高温氮掺杂和低温氮掺杂。这两种氮掺杂技术有两个主要的不同点：一是高温氮掺杂后需对腔体内表面进行几μm的电抛光(EP)处理，但采用低温氮掺杂后的超导腔不用进行额外的抛光；二是两种方法对超导腔进行氮气处理的时间和温度不同。高温氮掺杂需要800 ℃ 高温，而低温氮掺杂所需的温度低得多。由于β=0.09 HWR超导腔的内外导体为taper结构，结构较复杂，不利于进行电抛光处理，因此低温氮掺杂更适合于此类结构复杂腔型。

对于162.5 MHz的HWR超导腔，由于超导微观理论电阻(BCS电阻)很低，低温氮掺杂的效果可能不如1.3 GHz 超导腔明显。氮掺杂理论计算[6]表明，162.5 MHz超导腔低加速场(简称低场)下的Q0在4.2 K时能增加1倍，但在2 K时没有明显增加。

图3 4.2 K和2 K下低温氮掺杂HWR超导腔Q0随Eacc的变化Fig.3 Q0 vs Eacc of HWR cavity before and after nitrogen infusion treatment at 4.2 K and 2 K

在对腔体经过3 h、800 ℃ 高温退火后直接进行48 h低温氮掺杂处理，氮气压强保持在3 Pa，环境温度为160 ℃。低温氮掺杂后，对腔进行高压水冲洗和低温垂直测试，4.2 K和2 K下低温氮掺杂前后的射频性能测试结果示于图3。Q0在低场时接近原来的2倍，这与理论计算相符。4.2 K下，低温氮掺杂前后Q0随Eacc的变化曲线在整个加速梯度区间内均有Q0倾斜下降(Q-slope)现象，Q0也仅略高于掺杂前，腔体性能没有明显提升。2 K下，低温氮掺杂能在低场下提高Q0，且改善中场段的Q-slope现象。但由于场致发射，腔体在高场时仍有Q-slope现象。其中，低场尤其是中场Q0的增加是理论计算没有预测到的。因此，160 ℃低温氮掺杂后HWR超导腔的表面电阻有可能与氮掺杂处理过的不同，对其表面电阻的变化仍需进一步研究。从测试结果来看，低温氮掺杂前，加速梯度为10 MV/m的Q0为6.5×109，掺杂后为1.36×1010，品质因数增加了1倍多。因此，如果腔体运行梯度为10 MV/m，在2 K的温度下，低温氮掺杂处理后的腔体优势非常大，Q0可达到掺杂前的2倍以上。

3 结论

本文主要介绍了β=0.09、频率为162.5 MHz的锥形HWR超导腔的设计和低温射频性能测试，并对腔体进行了低温氮掺杂处理。垂直测试结果表明，低温氮掺杂前，该HWR超导腔可达到很高的加速梯度，最大加速梯度为17 MV/m，低场下Q0可达1×1010；低温氮掺杂后，在4.2 K温度下，腔体在极低场可获得更高的Q0，但由于整个加速区间内存在Q-slope现象，因此并没有特别的优势。但在2 K温度下，Q0在加速梯度为10 MV/m时提升至原来的2倍。如果未来超导腔运行在2 K温度下，加速梯度为10 MV/m，低温氮掺杂后的HWR超导腔低温射频性能优势很大。另外，对于低温氮掺杂如何影响低β射频超导腔的表面电阻，仍需进一步研究解释。