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铜铌溅射型超导QWR的研制及实验
郝建奎赵夔 张保澄谢大林王莉芳全胜文沈子林
鲁向阳 谢大驶朱风 向蓉孟铁军 黄森林谷安佳 陈佳洱
(北京大学重离子物理研究所,北京10087I)
摘要超导谐振腔是超导加速器的关键部件.用于重离子超导加速器的低13加速腔的最佳
选择是四分之一波长谐振腔(QWR)。利用无氧铜为基底,溅射一层几微米厚的铌膜,可咀
获得极好的超导性能和加速离子性能。但是,四分之一波长谐振腔的内表面复杂,溅射均
匀的铌膜比较田难。针对此难题,发展了一种多参数可调节的溅射方法,在大型谐振腔腔
体内,成功地制备了一层均匀的、超导性能优异的铌膜。低温实验和质子载束实验表明铜
铌溅射超导腔的性能良好.
关键词薄膜超导腔溅射OWR低温实验
l引言
超导加速腔已经越来越多地应用于加速器中。超导加速器多为铌腔。铌具有良好的超导特性,
但是其热导很低。低的热导将导致腔的热不稳定性,使得腔体内表面的局部温度升高,引起热失超。
为提高热稳定性,需要提高腔体材料的热导。在高热导材料腔体表面镀上一层几微米厚的超导薄膜
是一种有效的方法。无氧铜具有良好的热导,在低温下比铌的热导大一个量级,因而如果采用无氧
铜谐振腔作为基底制备一层超导铌膜,能大大改善超导腔的热导,同时也降低了造价。薄膜型超导
腔有多种,如铜镀铅腔、铜铌复合腔和铜铌溅射腔等。溅射产生的铌膜具有膜层致密.膜厚均匀,
附着性好等优点,因而铜铌溅射腔是目前研究的前沿热点。欧洲核子中心(CERN)和意大利
INFN.LNL实验室对铜铌溅射腔的研究处_丁世界前列”’“。
中国原子能科学研究院己开始准备建造北京放射性核束装置口l,其后加速器准备采用超导直线
加速器。北京大学重离子所进行了大量的射频超导实验研究,并于1994年成功地研制出我国第一
只国产纯铌超导腔.具有丰富的经验,承担了重离子超导加速腔的研制。与其它重离子加速结构相
Wave
Resonator,简称QWR)有许多优点”J.因而成为超导直线
比,四分之一波长谐振腔(Quarter
加速器的首选加速结构。
铜铌溅射腔的关键技术是在无氧铜腔的表面制各一层均匀致密、超导性能良好的铌膜。QWR
内表面形状复杂,按照常规方法溅射形成的铌膜不均匀性严重。通过大量实验研究,发展了一种“变
参数直流偏压溅射方法”,研制成功锟膜均匀性好、超导性能优异的QWR,为QWR的大规模使用
奠定了基础。
本文介绍北京大学射频超导实验室对铜铌溅射超导QWR的研制及相关实验。
2直流偏压溅射装置及实验方法简介
QWR的特殊形状使得它很难用磁控溅射来进行镀膜。QWR的内表面结构比较复杂.中心导体
的外表面与外导体的内表面均需制备一层儿微米厚的铌膜。尽管磁控溅射以其高沉积速率、低的放
电势和低的工作气压而被广泛采用.但对于QWR的溅射,与直流溅射相比也有其不足【6】。磁控溅
射的冷却系统比直流溅射更复杂。因而我们选择了结构简单的直流二极溅射。
北京大学重离子所射频超导实验室自1996年开始研究重离子超导加速腔,1997建成了一套直
流偏IK,2-极溅射装置。整个系统包括超高真空溅射室、真空系统、进气控制系统、电源以及残余气
体分析设备等。高纯铌靶采用电子束焊制成,作为阴极,位于腔的内导体和外壁中间,上面加负高
压。腔体作为基底,同时又是阳极。为使束孔附近的电场分布均匀,采用了辅助电极以及附加的外
壁支撑腔体。圈1是整个溅射装置结构图。溅射室采用全金属密封,本底真空可达1017Pa。
北京托学超高真空遣_.|摹置
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口 。
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图】直流偏压溅射系统结构圈
用氩气作为溅射气体,通过质量流量计控制气体流量恒定。残余气体对成膜性能有髟响,采用
四极质谱仪分析其成分,以提高铌膜质量。测量基底温度的变化以分析其对铌膜的影响.
为获得正确的参数.进行了大量模型腔样片实验。溅射时,把石英片和硅片置于模型腔内表面
不同位置,便得到了谐振腔中的铌膜分布.通过测量样片铌膜的
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