基于多层薄膜的高Q射频超导腔的研究

射频超导加速器广泛应用于X射线自由电子激光、散裂中子源、ERL光源等大科学装置，未来的国际直线对撞机（ILC）也将采用射频超导加速器技术。射频超导加速腔是超导加速器的核心部件，射频超导腔加速性能的优劣主要取决于其在超导状态下的加速梯度Eacc与品质因素Q0。目前，高加速电场时的Qslope现象以及热失超是制约超导加速器性能的两个主要因素，主要原因是，随着射频场的增加，超导腔工作磁场大于第一临界磁场时，在超导腔表面会产生强涡流损耗，影响Q值的恒定与提高，课题通过在射频超导腔内壁制备多层SIS薄膜，利用薄膜的高临界磁场这种特性，提高强涡流损耗的阈值，进而提高超导腔在高加速梯度的Q值。为防止在制备薄膜过程中引入杂质，课题采用ECR制备薄膜技术以及强流脉冲技术展开研究。两种方法均可在镀膜基底附近维持较高的真空环境下进行，由于两种方法自身的特性，也可以减少杂质，消弱晶界的影响，有利于超导腔Q值的提高

在本项目的支撑下，严格的对多层膜结构在超导腔上的应用做了理论推导，并在实验上实践了ECR镀膜方式；探索开发基于离子注入的制备多层膜；针对于超导腔的改进，提出基于稀土掺杂改善超导腔的概念，同时并研制出世界第一只基于稀土掺杂的超导腔；.在完成项目的基础上，对ECR工作气体做了调整，采用N气体替代Ar，调节ECR的工作的电压功率等参数，对纯Nb做改性处理，经过改性，铌表面的氧含量大幅下降，且在铌内部衰减极快。氧化铌对射频超导的影响一直存有疑问，不易研究。我们用具有超导性的氮化铌替代了它，为研究射频超导性能提供了一条途径。