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射频超导加速器在线表面处理研究及装备研发进展

射频超导加速器在线表面处理研究及装备研发进展

带电粒子加速器是探索微观世界与物质结构的有力工具之一，广泛地应用于高能物理、粒子物理、核物理、生命与材料科学。基于低温超导的射频加速技术（SRF）由于能量增益高、微波耗散小等优势，为国际上众多的加速器大科学装置普遍采用。我国正在开建的有上海硬X射线SHINE、北方高能光源HEPS、广东CiADS/HIAF，以及规划中的CEPC、CSNS二期升级等项目，均将射频超导铌腔作为加速方案，其总投资规模达数百亿元。然而，腔体内表面的场致发射效应导致的加速性能下降以及热负载不稳定性是目前限制射频超导加速器性能的主要因素，成为国际射频超导领域亟待解决的难点。场致发射的产生与腔体内表面的污染有关。由于腔体表面纳米厚度的碳化物污染导致的表面功函数下降是超导加速器运行过程中场致发射的主要来源。因此，面对国际上当前超导加速器的运行性能普遍下降问题，可通过消除腔体表面的碳氢化物污染，提升表面功函数以抑制场致发射效应，从而达到恢复和提升超导加速器运行性能的目的。针对我国超导加速器的大规模建设现状，以及未来这些大科学装置可能面临的性能下降问题，中科院近代物理研究所射频超导团队在国内率先开展了基于等离子体的在线表面处理研究。其一，在铌样品上开展了清洗机制的研究，明确了活性氧对铌表面碳化物的清除机制，以及铌表面氧化物对功函数提升的作用；并在原型超导样腔研究了碳化物对场致发射行为影响的研究，发现超导加速器运行过程中的性能下降来源于表面吸附的碳化物转化为具有强结合力的化学沉积，进而导致了碳化物污染难以通过常规物理锻炼手段清除以恢复加速器性能。其二，针对我国正在建设的强流质子/重离子装置中所使用的低β超导腔开展了等离子体表面处理研究，其性能提升达到80%；同时，实验模拟了运行工况下的极端真空事故导致的加速器性能瘫痪，通过等离子体化学与传统物理锻炼相结合，实现了腔体性能的完全恢复，为超导加速器装置的运行提供了新的思路和方法。其三，开展了射频超导加速器等离子体在线表面处理通用设备的研制，主要包含微波等离子体激励与诊断、洁净充放气系统以及反应生成物在线监测系统。目前，该在线表面处理装备已服役于CiADS前端注入器样机的稳定性运行研究中。该技术及装备的成功研发为我国填补了技术空白，为未来大科学的建设和运行提供了必要的技术储备。