【光明日報(bào)】我國首套銅鈮復(fù)合腔超導(dǎo)加速單元研制成功----中國科學(xué)院

加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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【光明日報(bào)】我國首套銅鈮復(fù)合腔超導(dǎo)加速單元研制成功

為超導(dǎo)加速器工業(yè)化應(yīng)用提供穩(wěn)定技術(shù)方案

2025-01-05 光明日報(bào) 王冰雅尚杰

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超導(dǎo)加速器在高通量中子源、高通量繆子源等兆瓦級(jí)高功率離子束應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢，能夠應(yīng)用于核廢料嬗變處理、稀有同位素生產(chǎn)等國家重大戰(zhàn)略需求領(lǐng)域。超導(dǎo)腔是超導(dǎo)加速器的核心組成部分，具有加速電場高、加速效率高等特點(diǎn)。兼具高性能與高穩(wěn)定性的超導(dǎo)加速方案是實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)高功率離子束應(yīng)用的關(guān)鍵。

然而，傳統(tǒng)純鈮超導(dǎo)腔的穩(wěn)定性在面向高功率離子束應(yīng)用場景方面還存在巨大的挑戰(zhàn)。由于通常采用3至5毫米厚的薄壁結(jié)構(gòu)，其對液氦壓力波動(dòng)、機(jī)電振蕩及內(nèi)壁電磁壓力等環(huán)境噪聲異常敏感，導(dǎo)致腔體的頻率發(fā)生漂移，影響超導(dǎo)腔穩(wěn)定運(yùn)行。

針對這一問題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出了新的復(fù)合材料技術(shù)路線，即充分利用純鈮良好的射頻超導(dǎo)性能、厚銅層良好的導(dǎo)熱性能和機(jī)械強(qiáng)度，從而提高超導(dǎo)腔的傳熱能力和環(huán)境噪聲抵抗能力。團(tuán)隊(duì)經(jīng)過5年多努力，在銅和鈮之間引入過渡金屬層，攻克了銅鈮界面材料難以互溶的難題，實(shí)現(xiàn)了銅和鈮的高強(qiáng)度結(jié)合，還解決了復(fù)雜曲表面覆高品質(zhì)厚銅層等多個(gè)技術(shù)難題。

該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的超導(dǎo)加速單元由9支半波長型銅鈮復(fù)合超導(dǎo)腔組成。在4.2K（約零下269攝氏度）的低溫測試環(huán)境中，銅鈮復(fù)合超導(dǎo)腔的平均表面峰值電場達(dá)到35兆伏每米，其加速能力與原純鈮超導(dǎo)腔的最好水平相當(dāng)；其平均腔體頻率洛倫茲失諧系數(shù)和平均腔體頻率氦壓敏感系數(shù)分別降至約-4.9赫茲每平方兆伏每米和-2.9赫茲每毫巴，是原純鈮超導(dǎo)腔單元對應(yīng)值的50%和15%，這兩項(xiàng)系數(shù)越小，說明腔體的頻率穩(wěn)定性越好。

此外，與通常依賴昂貴2K（約零下271攝氏度）液氦系統(tǒng)進(jìn)行制冷的純鈮超導(dǎo)腔相比，銅鈮復(fù)合超導(dǎo)腔能夠在成本相對低廉的4.2K（約零下269攝氏度）液氦環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定運(yùn)行，大幅降低制冷成本。

（原載于《光明日報(bào)》?2025-01-05?04版）

由中國科學(xué)院近代物理研究所自主研制的我國首套銅鈮復(fù)合腔超導(dǎo)加速單元日前通過各項(xiàng)測試。這一成果的取得，將有力提升我國在加速器領(lǐng)域的技術(shù)水平，為超導(dǎo)加速器的工業(yè)化應(yīng)用提供更加經(jīng)濟(jì)和高效的技術(shù)方案。超導(dǎo)加速器在高通量中子源、高通量繆子源等兆瓦級(jí)高功率離子束應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢，能夠應(yīng)用于核廢料嬗變處理、稀有同位素生產(chǎn)等國家重大戰(zhàn)略需求領(lǐng)域。超導(dǎo)腔是超導(dǎo)加速器的核心組成部分，具有加速電場高、加速效率高等特點(diǎn)。兼具高性能與高穩(wěn)定性的超導(dǎo)加速方案是實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)高功率離子束應(yīng)用的關(guān)鍵。然而，傳統(tǒng)純鈮超導(dǎo)腔的穩(wěn)定性在面向高功率離子束應(yīng)用場景方面還存在巨大的挑戰(zhàn)。由于通常采用3至5毫米厚的薄壁結(jié)構(gòu)，其對液氦壓力波動(dòng)、機(jī)電振蕩及內(nèi)壁電磁壓力等環(huán)境噪聲異常敏感，導(dǎo)致腔體的頻率發(fā)生漂移，影響超導(dǎo)腔穩(wěn)定運(yùn)行。針對這一問題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出了新的復(fù)合材料技術(shù)路線，即充分利用純鈮良好的射頻超導(dǎo)性能、厚銅層良好的導(dǎo)熱性能和機(jī)械強(qiáng)度，從而提高超導(dǎo)腔的傳熱能力和環(huán)境噪聲抵抗能力。團(tuán)隊(duì)經(jīng)過5年多努力，在銅和鈮之間引入過渡金屬層，攻克了銅鈮界面材料難以互溶的難題，實(shí)現(xiàn)了銅和鈮的高強(qiáng)度結(jié)合，還解決了復(fù)雜曲表面覆高品質(zhì)厚銅層等多個(gè)技術(shù)難題。該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的超導(dǎo)加速單元由9支半波長型銅鈮復(fù)合超導(dǎo)腔組成。在4.2K（約零下269攝氏度）的低溫測試環(huán)境中，銅鈮復(fù)合超導(dǎo)腔的平均表面峰值電場達(dá)到35兆伏每米，其加速能力與原純鈮超導(dǎo)腔的最好水平相當(dāng)；其平均腔體頻率洛倫茲失諧系數(shù)和平均腔體頻率氦壓敏感系數(shù)分別降至約-4.9赫茲每平方兆伏每米和-2.9赫茲每毫巴，是原純鈮超導(dǎo)腔單元對應(yīng)值的50%和15%，這兩項(xiàng)系數(shù)越小，說明腔體的頻率穩(wěn)定性越好。此外，與通常依賴昂貴2K（約零下271攝氏度）液氦系統(tǒng)進(jìn)行制冷的純鈮超導(dǎo)腔相比，銅鈮復(fù)合超導(dǎo)腔能夠在成本相對低廉的4.2K（約零下269攝氏度）液氦環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定運(yùn)行，大幅降低制冷成本。（原載于《光明日報(bào)》?2025-01-05?04版）

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