用于射频超导加速腔的金属衬底MgB2超导薄膜研究

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超导加速腔腔壁损耗极小的特点使超导加速器具有可工作在连续波(CW)模式和束流稳定性好的特点,成为粒子加速器领域的前沿方向之一。早期的超导腔曾采用铅作为制造材料,目前绝大多数为纯铌制造。自1968年J.Turneaure和N.Viet利用纯铌制造超导加速腔以来,通过不断提高铌材纯度、优化超导腔腔型和完善表面处理工艺,纯铌超导腔的加速梯度已接近其60MV/m的理论极限。如何进一步提高加速梯度和降低超导加速器的运行成本成为近年来该领域最为重要的研究方向,尝试利用高温超导材料研制薄膜超导腔也成为该方向的一个研究热点。在各种薄膜材料中,MgB2具有高超导转变温度和高临界磁场,而且其晶格结构简单、制备成本低,因此受到射频超导加速器领域的广泛关注。本文在简要介绍国际上MgB2薄膜超导腔研究现状、MgB2超导材料特性以及混合物理化学气相沉积法(HPCVD)原理的基础上,主要介绍针对金属衬底MgB2超导薄膜制备方法和薄膜超导性能开展的研究工作。  在各种制备MgB2薄膜的方法中,混合物理化学气相沉积法(HPCVD)操作简便,所制备的MgB2薄膜具有最高的超导转变温度,因此最有可能成为MgB2薄膜超导腔的制备方法,而目前国际上对用该方法在金属衬底表面上制备MgB2薄膜的研究还不够充分。本文系统研究了采用HPCVD方法在Nb、Cu衬底上制备MgB2薄膜的实验条件和薄膜超导性质,分析了Nb、Cu在MgB2薄膜超导腔整腔镀膜过程中可能存在的问题。针对上述问题,本文提出了以金属Mo作为MgB2薄膜衬底的设想并对其用于制造超导腔的可行性进行了分析。通过不断优化实验条件,最终制备出了均匀性较好的Mo衬底MgB2薄膜,其超导转化温度为38.6K。  Cu具有良好的热导和机械加工性能,是制造薄膜型超导腔腔体的理想材料,但在以铜为衬底的MgB2薄膜制备中,Cu会和Mg发生反应,影响MgB2薄膜质量。为结合Cu和Mo作为衬底的优点,本文提出在Cu衬底上先制备Mo中间层,然后再在其上生长MgB2的方法来阻止Cu衬底和Mg的反应MgB2。采用HPCVD方法在Mo-Cu衬底上制备MgB2薄膜的尝试获得了初步成功,制备出的MgB2薄膜致密较好,其超导转变温度在35K左右。  为开展HPCVD方法制备大面积均匀MgB2薄膜可行性研究,并制备出金属衬底MgB2薄膜大样品以进行射频性能测试,本文设计研制了一套用于制备MgB2薄膜大样品的装置,在此基础上通过反复实验研究,在Nb衬底上成功制备出了直径为50 mm的MgB2薄膜样片,并通过优化实验条件改善了MgB2薄膜表面的均匀性。大尺寸MgB2薄膜不同位置MgB2薄膜的厚度在330-350 nm之间,除一点以外,其它测试点的超导转变温度约在36K左右。
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