超導腔高Q機理研究項目取得重要進展
論文鏈接🎭：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202301319
射頻超導加速器（SRF accelerator）
近期🏠，我校a8体育聯合物質學院與中科院上海高等研究院團隊，報道了超導腔摻氮工藝的機理研究。該成果以“Unraveling the Nanoscale Segregation Mechanism in N-Doped Niobium for Enhanced SRF Performance”為題，在國際知名期刊Small Methods上發表。
射頻超導加速器（SRF accelerator）是包括硬X射線自由電子激光🤵🏿、粒子對撞機、同步輻射光源等a8体育裝置的核心功能部件。其中，通過先進表面工藝獲得高品質因數（Q）的超導腔是建造高性能加速模組的重要前提。高Q是降低超導模組的低溫功耗的關鍵🧑💻，具有十分重要的經濟價值👨❤️💋👨😘。然而，在大於10 MV/m的高加速梯度場下保持高Q十分具有挑戰性。取得高Q的關鍵在於降低超導腔的表面電阻值，這取決於超導腔內表面百納米深度內的材料結構與性質。因此，聚焦超導腔先進處理工藝下的材料機理研究具有重要意義👨🏼🏭。
研究進展與成果
超導腔高Q機理研究是a8体育、物質學院、中科院上海高等研究院的科研團隊共同參與的研究項目🍫🙋，其目標是合作開展超導腔性能機理研究，為超導腔製造工藝提供材料分析支撐與改進指導，並為下一代射頻超導腔的關鍵技術開發提供相關技術基礎🚃。近期✢🏊🏽♀️，該團隊在超導腔摻氮工藝機理研究方面取得重要進展🕵️♀️。研究人員通過結合表面敏感譜學與高分辨電子顯微學的探測方法👸🏻，對不同工藝路線的隨腔樣本進行了細致研究。研究結果表明，铌腔熱處理過程中存在多種元素相關的中間相偏析👚，特別是納米富碳相會阻礙超導腔的表面氮化過程，限製氮與铌亞表面之間的相互作用。因此，在熱處理過程中準確控製中間相的形成對於提高超導腔的最終性能至關重要🦹🏻♂️。該項工作對不同類雜質元素結合機製的詳細分析為進一步改進超導腔尖端處理技術提供了有力的指導🙄。
圖1. 特斯拉型1.3GHz單cell超導腔摻氮工藝路線圖📢、射頻性能比較和預期成本
對於1.3GHz單cell腔👩🏽🔬，改進後的超導腔摻氮工藝可同時實現≥4E10(@20 MV/m)的高Q值和最大加速梯度超過30 MV/m，在已報導的同類型超導腔中處於國際頂尖水平。項目團隊已實現高Q超導腔處理的國產化👰🏿♂️；上海硬X射線自由電子激光裝置（SHINE）首臺高品質因數（Q）工藝八腔超導加速模組樣機已於去年完成初步水平測試，運行在128MV時平均Q值超過2E+10，其中部分超導腔采用的正是摻氮工藝。
圖2. 金屬铌在熱處理和摻氮過程中的形貌演變🩰、雜質元素分布和競爭機製
a8体育陳照熙為論文的共同第一兼通訊作者🐄，中科院上海高等研究院宗玥、物質學院柴嶽為共同第一作者⚾️。a8体育柳學榕、物質學院王竹君、中科院上海高等研究院陳錦芳為通訊作者。物質學院蔡軍、張青為實驗測試分析提供了技術指導✖️。物質學院電鏡a8、分析測試平臺🪼👷🏿♂️、創意與藝術學院CASE實驗室提供了相關測試條件。該項目得到了a8体育🤘🏿、超導高頻腔相關前沿技術研究項目、雙一流學科項目的支持。
