介质半填充射频谐振腔及其制备方法技术

本发明专利技术涉及介质半填充射频谐振腔，通过在射频谐振腔内填充介质，保留束流孔通道，在相同的运行频率下降低射频电磁场的波长，运行频率即谐振频率，从而减小谐振腔的尺寸，甚至简化部分谐振腔的形状，降低谐振腔的加工、处理难度。难度。难度。

【技术实现步骤摘要】
介质半填充射频谐振腔及其制备方法


[0001]本专利技术涉及粒子加速器领域，具体涉及一种介质半填充射谐振腔及其制备方法。

技术介绍

[0002]射频超导腔是电磁谐振腔的一种，其与常导谐振腔相比具有品质因子高、加速梯度高等优势，是粒子加速器的核心部件。谐振腔的谐振频率不论是常导还是超导，都由尺寸决定，具体到加速粒子一般用TM010模式，其谐振的电磁波频率ω＝2.407*c/R，其中c为光速，R为谐振腔的半径。频率确定后，长度即对应为谐振电磁波的二分之一波长d＝pi*c/ω，与半径R＝2.407*c/ω数值，共同确定了腔的尺寸。图1展示了常用的超导椭球腔，尺寸与频率相对应。谐振腔，由于要加速带电粒子，总是要留有供粒子通过的束流孔径，此孔径与其他腔内部分一起形成一个高真空的整体空间，电磁波在此空间谐振，故前述公式中的光速一般为真空中的光速。
[0003]带电粒子通过谐振腔时，其通过每一个腔的时间是与运动速率相关的，而由于粒子在不停加速，则其通过时间必然越来越短。故为提高加速效率，粒子加速器后半段的腔总是应该逐渐变小，而前半段的腔总是过于庞大，需要引入复杂特殊结构的低beta腔，如半波长谐振腔HWR、四分之一谐振腔QWR和轮辐(spoke)腔等,用来降低腔的尺寸及其占有的加速器内空间。
[0004]谐振腔常用金属导体制作，对于超导射频谐振腔，其最常用的超导材金属铌，价格昂贵且难加工。普通铌材，如3mm*100mm*100mm的铌片价格约为1200元。低频率大尺寸的腔和特殊复杂结构的腔更提高了加工难度。一只普通的1.3GHz的TESLA腔大概需要十万元一只，HWR腔达二十几万元。
[0005]另外，内壁镀膜腔近来发展迅速，包括铜内镀铌、铌内镀铌三锡、铜内镀铌三锡或硼化镁等。但是由于镀膜设备(如磁控溅射法)体积庞大，而超导腔束管口尺寸狭小，故镀膜设备要单独设计、制造镀膜的靶伸入至腔内，昂贵且过程繁复，且最小只能镀膜至1.3GHz的腔内(束管口直径约78mm)。
[0006]对于最近的铜上镀铌三锡薄膜或铌上镀铌三锡薄膜腔，由于铌三锡是一种陶瓷，在降温至运行温度约4K的过程中，其线膨胀系数较低；而其基底铜或者铌均为金属，其线膨胀系数较高。故降温过程铌三锡薄膜受冷收缩远低于其基底，导致铌三锡薄膜容易崩裂甚至脱落。

技术实现思路

[0007]针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种拟在保留束流孔通道的前提下，在射频谐振腔中填充介电常数大于1的材料，从而降低介质中电磁波的光速，在相同的运行谐振频率f下降低射频电磁场的波长(lambda＝c/f)，从而减小谐振腔的尺寸。或在同尺寸下，降低运行的谐振频率。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0009]一种射频谐振腔，射频谐振腔的本体包括内层和外层，外层由导体材料制成，内层由介电材料制成，并且内层的内表面上设置有束流通道。
[0010]内层的介电材料的介电常数大于1，包括以下组中的至少一种：二氧化硅、氧化铝、氮化铝、陶瓷或高分子材料。
[0011]外层的导体材料包括以下组中的至少一种：铜、铝、金或超导材料。
[0012]超导材料包括以下组中的至少一种：纯铌、铌三锡、硼化镁或高温超导材料。
[0013]射频谐振腔置于嵌套腔中或共真空系统中。
[0014]射频谐振腔的腔型为椭球型。
[0015]内层的介电材料为介电常数为9.4的蓝宝石晶体。
[0016]一种制备射频谐振腔的方法，先将介电材料挖出束流孔并成型，然后通过镀膜将常导体、超导体甚至高温超导体薄膜镀到介电材料的外部。
[0017]将镀有薄膜的介电材料置于嵌套腔中或共真空系统中。
[0018]介电材料为二氧化硅、氧化铝、氮化铝、陶瓷或高分子材料，并且超导材料为纯铌、铌三锡、硼化镁或高温超导材料。
[0019]本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0020]本专利技术在不更改腔原有尺寸比例及设计、不影响待加速粒子通过的基础上，仅使用简单的在谐振腔内增加介电材料层的方法，就可将同运行频率下的腔尺寸缩小，有效的减少了使用材料，降低了谐振腔的制作、加工及处理难度。
附图说明
[0021]通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
[0022]在附图中：
[0023]图1显示不同谐振频率的超导腔；
[0024]图2显示超导腔形状和粒子速率、运行频率的对应关系；
[0025]图3a，图3b，图3c为半径0.48英寸(inch)，长度0.4inch的圆柱(pillbox)腔内部区域、频率、电场变化示意图；
[0026]图3d，图3e，图3f为加介电常数为4.5的石英电介质后的腔内部区域、频率、电场变化示意图；
[0027]图3g，图3h，图3i为其中小孔半径是总腔半径的0.2，增大孔半径总腔的0.4inch的圆柱腔内部区域、频率、电场变化示意图；
[0028]图3j，图3k，图3k为对大孔半径，改用介电常数为9.4的蓝宝石晶体的频率、电场变化示意图；
[0029]图4a，图4b，图4c为椭球腔在真空下的谐振频率为1.2507GHz，加介电常数9.4的蓝宝石晶体介质后谐振频率降为407.96MHz，已可取代图2对应频率的SPOKE和半波谐振(Half
‑
wave Resonator)腔的示意图；
[0030]图5为普通3.9GHz椭球腔尺寸(半径为36.79mm)的石英介质，包含内部束流通道(左)和3.9GHz铜腔(右，不包含束管)的示意图；
[0031]图6显示磁控溅射镀膜方法的示意图；
[0032]图7显示树脂腔壳覆金箔(左)和石英介质覆金箔(右)制成的原3.9GHz尺寸的谐振腔的示意图；
[0033]图8a为网络分析仪测得的S11信号，显示图7中树脂腔壳覆金箔(左)在TM010模式下的谐振频率为3.54GHz；
[0034]图8b为网络分析仪测得的S11信号，显示图7中石英介质覆金箔(右)在TM010模式下的谐振频率为2.24GHz；
[0035]图9为采用磁控溅射法在石英介质上镀20nm氧化铝隔离层加110nm铌薄膜制成的原3.9GHz尺寸的介质半填充超导铌腔；和
[0036]图10为制作超导腔用的高纯铌10*10*1mm样片，在常规的缓冲化学抛光后，其表面粗糙度约Rq约为3微米。
[0037]附图中附图标记说明：
[0038]1、树脂腔壳覆金箔谐振腔
[0039]2、石英介质覆金箔谐振腔
[0040]3、介质半填充超导铌谐振腔
具体实施方式
[0041]下面将参照附图更详细地描述本专利技术的示例性实施方式。虽然附图中显示了本专利技术的示例性实施方式，然而应当理解，可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种介质半填充射频谐振腔，其特征在于，所述射频谐振腔的本体包括内层和外层，所述外层由导体材料制成，所述内层由介电材料制成，并且所述内层的内表面上设置有束流通道。2.根据权利要求1所述的介质半填充射频谐振腔，其特征在于，所述内层的介电材料的介电常数大于1，包括以下组中的至少一种：二氧化硅、氧化铝、氮化铝、陶瓷或高分子材料。3.根据权利要求1所述的介质半填充射频谐振腔，其特征在于，所述外层的导体材料包括以下组中的至少一种：铜、铝、金或超导材料。4.根据权利要求3所述的介质半填充射频谐振腔，其特征在于，所述超导材料包括以下组中的至少一种：纯铌、铌三锡、硼化镁或高温超导材料。5.根据权利要求1所述的介质半填充射频谐振腔，其特征在于，所述射频谐振腔置于嵌套腔中或共真空系统中。...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗迪迪，谭腾，何源，
申请(专利权)人：中国科学院近代物理研究所，
类型：发明
国别省市：