經過半個世紀的發(fā)展,超導射頻（Superconducting radio frequency,SRF）腔體已成為一般現代粒子加速器裝置的核心部件。同常溫腔體相比,超導腔具有較大束流孔徑、更低的功率損耗等特性,使得其在長脈沖（連續(xù)）、高流強加速器裝置中具有諸多優(yōu)勢。然而,基于目前的技術水平,場致發(fā)射效應依然是限制超導腔加速性能的主要因素,并給加速器的實際運行帶來諸多不穩(wěn)定因素。場致發(fā)射效應的產生通常與腔體內表面的污染有關。例如,外部金屬、灰塵等顆粒物在腔體內表面的附著導致的表面峰值電場的放大,大量的實踐表明,此類較大顆粒的污染問題可采用高壓水沖洗（High pressure rinsing,HPR）解決。但是,來源于環(huán)境周圍的化學污染物,諸如碳氫化合物以及各種殘余氣體在內表面的吸附等問題卻難以通過標準的清洗方法得到有效地去除。為了提高超導腔在線運行中的加速性能,SRF科學共同體經過多年的努力和探索,諸多原位在線清洗技術得以發(fā)展,主要以射頻功率鍛煉（連續(xù)波以及高功率脈沖鍛煉）、低溫氦清洗兩大技術手段為主。兩種在線清洗手段的實現機理均為通過對腔體表面形貌的改善以降低場增強因子,從而達到緩解場... 

【文章來源】：中國科學院大學(中國科學院近代物理研究所)甘肅省

【文章頁數】：186 頁

【學位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 論文的選題背景
    1.2 國內外超導加速器運行中普遍面臨的問題舉例
        1.2.1 ADS直線加速器運行遇到的問題
        1.2.2 SNS直線加速器性能限制因素
        1.2.3 CEBAF運行中的性能下降問題
        1.2.4 歐洲XFEL性能的限制因素
    1.3 論文的主要內容
    1.4 論文的特點和創(chuàng)新點
第2章 超導腔在線運行的限制因素以及恢復方法
    2.1 超導腔的基本參數[34]
    2.2 超導鈮腔在線運行的性能限制因素
        2.2.1 電子倍增效應
        2.2.2 場致發(fā)射電子效應
        2.2.3 熱致失超
    2.3 腔體性能在線恢復方法
        2.3.1 射頻功率鍛煉
        2.3.2 低溫氦清洗
        2.3.3 等離子體在線清洗
第3章 基于小樣品的鈮腔表面處理及表征
    3.1 影響場致發(fā)射的表面特性
    3.2 標準工藝的鈮樣品制備
        3.2.1 緩沖化學拋光
        3.2.2 電化學拋光
        3.2.3 高溫熱處理
    3.3 樣品表面形貌表征
    3.4 樣品表面化學成分的對比
    3.5 樣品深度分布實驗分析
        3.5.1 氬離子剝離化學成分分析
        3.5.2 功函數隨碳氧元素變化的定性關系
        3.5.3 功函數隨碳化物變化的定量關系
    3.6 本章小結
第4章 超導腔中的射頻等離子體特性研究
    4.1 等離子體與材料相互作用參數
        4.1.1 等離子體在器壁邊界的損失
        4.1.2 氧的解離及氧化反應
    4.2 等離子體放電實驗平臺設計
        4.2.1 在線工況與放電實驗微波系統(tǒng)
        4.2.2 真空及氣路系統(tǒng)
        4.2.3 等離子體診斷方案的選取
    4.3 等離子體激勵的實驗參數研究
        4.3.1 兩種功率加載方式
        4.3.2 氣壓對激勵功率的影響
        4.3.3 氧參比對激勵功率的影響
        4.3.4 實驗參數對等離子體分布的影響
    4.4 等離子體的微波負載效應
        4.4.1 傳輸線及RLC模型
        4.4.2 等離子體的介電常數
        4.4.3 等離子體的阻抗變化
        4.4.4 基于阻抗變化的等離子體控制方法
    4.5 等離子體激勵的電場閾值條件
    4.6 等離子體的特征光譜研究
        4.6.1 原子和分子的躍遷譜線特征
        4.6.2 氬原子及氬離子光譜特性
        4.6.3 活性氧原子的濃度及光譜特性
    4.7 等離子體特性參數診斷
        4.7.1 局部熱平衡及電暈模型
        4.7.2 電子溫度的測量
        4.7.3 自由電子密度的測量
    4.8 本章小結
第5章 鈮樣品的等離子體清洗工藝及機理研究
    5.1 實驗介紹
        5.1.1 實驗裝置及等離子體源介紹
        5.1.2 基于開爾文探針的功函數測試原理
        5.1.3 等離子體的朗繆爾探針診斷原理
    5.2 電感耦合等離子體源的特征參數調控方法
        5.2.1 容性耦合與感性耦合之間的模式轉換
        5.2.2 射頻線圈匝數的影響
        5.2.3 氣壓及流量的影響
        5.2.4 氧含量的影響
        5.2.5 空間剖面分布
    5.3 清洗中的相互作用機制初步研究
        5.3.1 氧對提高功函數影響
        5.3.2 氧對反應產物的影響
    5.4 離子協同的化學濺射作用研究
        5.4.1 清洗速率模型的提出
        5.4.2 氬離子的物理轟擊作用
        5.4.3 氧在化學濺射中的作用
    5.5 清洗后功函數隨時間的退化問題
        5.5.1 鈮表面深層污染物的遷移作用
        5.5.2 石英管壁的濺射及硅污染
        5.5.3 功函數的穩(wěn)定性研究
    5.6 等離子體清洗對鈮表面的改性作用
        5.6.1 角分辨的光電子能譜儀
        5.6.2 清洗前后表面成分對比
        5.6.3 清洗前后氧化物厚度分析
    5.7 本章小結
第6章 超導腔的碳化物污染以及等離子體清洗實驗研究
    6.1 實驗條件準備
        6.1.1 超導腔的表面處理
        6.1.2 測試天線及動態(tài)耦合器設計
        6.1.3 真空密封以及低溫冷漏
    6.2 超導腔的性能本底
    6.3 碳化物的低溫吸附實驗研究
    6.4 碳化物的化學沉積實驗研究
        6.4.1 等離子體輔助沉積方法
        6.4.2 碳沉積對腔體性能的影響
    6.5 超導腔的等離子體清洗實驗研究
        6.5.1 清洗策略的考慮
        6.5.2 清洗過程中的化學反應
        6.5.3 等離子體清洗對場致發(fā)射的抑制作用
    6.6 超導腔的空氣污染以及性能恢復研究
        6.6.1 暴露大氣對腔體性能的影響
        6.6.2 等離子體清洗對腔體的恢復作用
        6.6.3 低溫氦清洗對腔體性能的進一步恢復作用
    6.7 本章小結
第7章 結論和展望
    7.1 結論
    7.2 展望
參考文獻
致謝
作者簡歷及攻讀學位期間發(fā)表的學術論文與研究成果


【參考文獻】：
期刊論文
[1]Multipacting analysis for half wave resonators in the China ADS[J]. 張聰,張生虎,何源,岳偉明,�，|.  Chinese Physics C. 2015(11)
[2]空氣中微波擊穿電場的計算[J]. 翁明,王瑞,崔萬照.  真空科學與技術學報. 2013(06)
[3]采用等效特征擴散長度計算微波擊穿電場[J]. 翁明,王瑞,崔萬照.  西安交通大學學報. 2013(04)

博士論文
[1]Taper型超導腔低溫恒溫器的研制[D]. 白峰.中國科學院大學(中國科學院近代物理研究所) 2018
[2]強流超導加速器低電平控制算法實驗研究[D]. 高鄭.中國科學院研究生院(近代物理研究所) 2016

碩士論文
[1]CiADS固態(tài)功率源的可用性設計與分析[D]. 高鵬輝.中國科學院大學(中國科學院近代物理研究所) 2018



本文編號：3169218