【光明日報】我國首套銅鈮復合腔超導加速單元研制成功----中國科學院

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，為把我國建設(shè)成為世界科技強國作出新的更大的貢獻。

——習近平總書記在致中國科學院建院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)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實現(xiàn)科學技術(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)國際一流科研機構(gòu)。

——中國科學院辦院方針

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【光明日報】我國首套銅鈮復合腔超導加速單元研制成功

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

2025-01-05 光明日報王冰雅尚杰

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由中國科學院近代物理研究所自主研制的我國首套銅鈮復合腔超導加速單元日前通過各項測試。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，為超導加速器的工業(yè)化應(yīng)用提供更加經(jīng)濟和高效的技術(shù)方案。

超導加速器在高通量中子源、高通量繆子源等兆瓦級高功率離子束應(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。超導腔是超導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。兼具高性能與高穩(wěn)定性的超導加速方案是實現(xiàn)兆瓦級高功率離子束應(yīng)用的關(guān)鍵。

然而，傳統(tǒng)純鈮超導腔的穩(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、機電振蕩及內(nèi)壁電磁壓力等環(huán)境噪聲異常敏感，導致腔體的頻率發(fā)生漂移，影響超導腔穩(wěn)定運行。

針對這一問題，研發(fā)團隊提出了新的復合材料技術(shù)路線，即充分利用純鈮良好的射頻超導性能、厚銅層良好的導熱性能和機械強度，從而提高超導腔的傳熱能力和環(huán)境噪聲抵抗能力。團隊經(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，實現(xiàn)了銅和鈮的高強度結(jié)合，還解決了復雜曲表面覆高品質(zhì)厚銅層等多個技術(shù)難題。

該團隊研發(fā)的超導加速單元由9支半波長型銅鈮復合超導腔組成。在4.2K（約零下269攝氏度）的低溫測試環(huán)境中，銅鈮復合超導腔的平均表面峰值電場達到35兆伏每米，其加速能力與原純鈮超導腔的最好水平相當；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，是原純鈮超導腔單元對應(yīng)值的50%和15%，這兩項系數(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)進行制冷的純鈮超導腔相比，銅鈮復合超導腔能夠在成本相對低廉的4.2K（約零下269攝氏度）液氦環(huán)境中實現(xiàn)高穩(wěn)定運行，大幅降低制冷成本。

（原載于《光明日報》?2025-01-05?04版）

由中國科學院近代物理研究所自主研制的我國首套銅鈮復合腔超導加速單元日前通過各項測試。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，為超導加速器的工業(yè)化應(yīng)用提供更加經(jīng)濟和高效的技術(shù)方案。超導加速器在高通量中子源、高通量繆子源等兆瓦級高功率離子束應(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。超導腔是超導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。兼具高性能與高穩(wěn)定性的超導加速方案是實現(xiàn)兆瓦級高功率離子束應(yīng)用的關(guān)鍵。然而，傳統(tǒng)純鈮超導腔的穩(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、機電振蕩及內(nèi)壁電磁壓力等環(huán)境噪聲異常敏感，導致腔體的頻率發(fā)生漂移，影響超導腔穩(wěn)定運行。針對這一問題，研發(fā)團隊提出了新的復合材料技術(shù)路線，即充分利用純鈮良好的射頻超導性能、厚銅層良好的導熱性能和機械強度，從而提高超導腔的傳熱能力和環(huán)境噪聲抵抗能力。團隊經(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，實現(xiàn)了銅和鈮的高強度結(jié)合，還解決了復雜曲表面覆高品質(zhì)厚銅層等多個技術(shù)難題。該團隊研發(fā)的超導加速單元由9支半波長型銅鈮復合超導腔組成。在4.2K（約零下269攝氏度）的低溫測試環(huán)境中，銅鈮復合超導腔的平均表面峰值電場達到35兆伏每米，其加速能力與原純鈮超導腔的最好水平相當；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，是原純鈮超導腔單元對應(yīng)值的50%和15%，這兩項系數(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)進行制冷的純鈮超導腔相比，銅鈮復合超導腔能夠在成本相對低廉的4.2K（約零下269攝氏度）液氦環(huán)境中實現(xiàn)高穩(wěn)定運行，大幅降低制冷成本。（原載于《光明日報》?2025-01-05?04版）

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