一种实现铜铌复合超导腔固体传导冷却的方法

技术领域

本发明属于粒子加速器技术、射频超导与低温技术领域，具体涉及一种实现铜铌复合超导腔固体传导冷却的方法。

背景技术

射频超导谐振腔(简称超导腔)具有加速梯度高、功率损耗低以及对束流扰动小等特点，广泛应用在大型粒子加速器中，是高能量、强流连续波或高占空比模式粒子加速器的核心部件。其主要作用是将其中的电磁场储能转化为带电粒子的动能，主要优势是能耗低，加速效率高。

目前超导腔主要由RRR(剩余电阻率比值)>300的金属铌板研制，但由于金属铌的导热性能差，而超导铌的超导转变温度为9K，因此纯铌超导腔只能采用2-4mm壁厚的铌板进行制备，并在纯铌超导腔的外围制作液氦槽盛装液氦，将纯铌超导腔浸没在液氦环境内冷却，以保证纯铌超导腔的正常运行。

然而，这种浸没液氦环境的冷却方式主要有两方面的不足：1)液氦波动会导致纯铌超导腔壁波动，进而导致纯铌超导腔的机械稳定性差的问题；2)液氦成本高，每只纯铌超导腔都需要被浸没在液氦中，导致加速器运行成本高；3)液氦槽的制作成本较高。

CN113593768A公开一种基于纯铌基超导腔的固体传导冷却结构，包括超导腔本体、第一导冷块、第二导冷块、二级冷板等。该固体传导冷却结构采用商业制冷机，通过固体传导冷却方式，使铌基超导腔在低温下稳定运行，摆脱传统超导腔液氦浸泡的冷却方式。但该固体传导冷却结构局限性大，主要针对的是热流分布在赤道位置类型的椭球型超导腔，并且冷却效果差，使得腔体运行梯度受限，通用性低。

近年来基于铜铌复合材料制作的超导腔(简称复合超导腔)成为研究的热点之一，其主要特点是利用铜的高导热性，将其铸造于超导腔的腔壁外表面上，在不降低超导腔热导性能的同时可使腔体壁厚达到纯铌超导腔的数倍，提高超导腔的运行机械稳定性。

针对此类铜铌复合超导腔，CN114952196A提出可通过固体传导的方式对铜铌复合超导腔进行冷却，以提升超导腔体的热稳定性，但并未提供具体的可行性方案，也无法预见其适用于各类型铜铌复合超导腔，通用性低。

为此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现铜铌复合超导腔固体传导冷却的方法，其不仅可使复合超导腔脱离液氦环境，杜绝液氦压力波动带给复合超导腔的不稳定性的情况，而且在保证超导腔具有较好的超导性、机械稳定性的同时，还降低了现有维持复合超导腔运行的冷却结构的复杂程度，减少了复合超导腔体的总体制造成本。同时本发明所述的固体冷却方法适用于目前各类型的铜铌复合超导腔，普适性较好。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种实现铜铌复合超导腔固体传导冷却的方法，包括如下步骤：

S1、利用高频仿真软件确定所述铜铌复合超导腔的高频损耗及热流分布；

S2、利用传热仿真软件确定导热带与所述复合超导腔本体的连接位置，以及所述导热带的截面大小、长度；

S3、将所述导热带的一端连接于所述连接位置，其另一端与粒子加速器的低温恒温器中的热锚连接。

本发明的发明构思如下：

本发明首次提出仅采取高导热性的导热带作为冷却途径的固体传导冷却方式，将导热带的一端与铜铌复合超导腔的铜层外表面部分区域连接，并将另一端与粒子加速器中低温恒温器的热锚连接，利用导热带和铜铌复合超导腔表面铜层的高导热性，将铜铌复合超导腔运行过程中高频损耗所产生的热量最大程度地带走，从而确保铜铌复合超导腔的正常运行。

本发明所述铜铌复合超导腔仅由纯铌超导腔及其外表面的厚铜层复合而成，其采用与CN113973419A相同的方法制备而得。

本发明中所述的复合超导腔的腔体发热低，热量容易被带走，为实现仅以导热带作为固体冷却途径的方法提供了基础条件。

所述铜层的材质为TU0无氧铜；所述铜层的厚度为1-10mm。

虽然本发明提出的冷却方式非常简单，但在具体实施过程中，考虑到实际加工的可操作性及便利性等因素，对导热带与复合超导腔本体的连接位置的选择非常关键。例如，半波长型(HWR)超导腔本体的高频损耗最大处及发热温度最高处通常在内导体两端头以及端盖位置，因而在高发热区增加导热带是必须的，但内导体两端位置狭小，直接在此处焊接导热带，存在导热带大小选取受限，焊接难度大等难点。为此，本发明利用高频仿真软件及传热仿真软件，并通过合理分析，确定合适的连接位置及导热带尺寸，既保证了超导腔的冷却效果，进而保证超导腔的超导性和机械稳定性，同时又兼顾了施工的可加工性，降低制造及运行成本，使其具有实际可操作性。

所述高频仿真软件为有限元高频仿真软件、CST微博工作室、Comsol等。

所述高频损耗及热流分布的确定步骤为：通过所述高频仿真软件计算得到腔体高频损耗，进而确定腔体电磁场分布，再进一步求解出腔体表面的热流分布。

所述传热仿真软件为有限元多物理场传热仿真软件、CST微博工作室、Comsol等。

所述连接位置的确定步骤为：根据所述热流分布及所述传热仿真软件计算得到腔体温度分布，进而确定腔体温升较高的位置，再通过优化(考虑加工焊接可行性、便利性、可靠性等因素)，确定所述导热带与所述复合超导腔本体的连接位置。

所述导热带为导热率高于所述纯铌超导腔的铌材导热率至少一个量级的金属导热带。优选为导热系数大于200W/m·K的金属导热带，如TU0无氧铜铜带。

所述导热带的截面大小及长度的确定步骤为：将所述导热带连接在所述连接位置后进行传导冷却模拟试验，通过优化导热带的截面大小和长度参数，以达到腔体最小温升目标，进而确定所述导热带的截面大小及长度参数。

所述连接的方式为钎焊方式或电子束焊接方式。例如，以银作为焊料的钎焊方式，或者无焊料的电子束焊接等方式。

所述低温恒温器中的热锚为低温4.2K热锚。

相比现有技术，本发明所取得的有益效果如下：

1)超导性及机械稳定性好：本发明所述方法使得铜铌复合超导腔在运行过程中脱离液氦环境，杜绝了液氦波动带来的腔体不稳定性，铜铌复合超导腔的机械稳定性得到显著提高；

2)低温系统更简化：本发明所述方法仅需导热带作为冷却途径，通过焊接与超导腔本体及低温恒温器连接，大大降低了维持复合超导腔运行的低温系统的复杂程度；且该方法适用于各种不同腔型的复合超导腔，适用性更广。

3)超导腔冷却成本低：本发明所述方法无需制造超导腔液氦槽，可省去液氦槽制造成本，根据腔型不同，可节省约15-30万氦槽制造成本。

4)综合上述1、2、3有效效果，本发明中涉及的复合超导腔能够在高加速梯度稳定运行，降低了加速器的建造成本和运行成本。

附图说明

图1为实施例1中325MHz Spoke021铜铌复合超导腔外表面导热带的分布示意图；图(a)为二分之一本体上导热带的分布示意图，图(b)为全本体上导热带的分布示意图。

图中：1-位于内导体中心的导热带；2-位于内导体端头的导热带；3-位于内导体端盖的导热带；4-低温4.2K热锚；5-铜铌复合腔本体。

图2为实施例1中325MHz Spoke021铜铌复合超导腔实施固体传导冷却的实施照片。

具体实施方式

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

以325MHz Spoke021铜铌复合超导腔为例，实现该铜铌复合超导腔的固体传导冷却方法，包括如下步骤：

S1、利用高频仿真软件确定325MHz Spoke021铜铌复合超导腔的高频损耗及热流分布；

其中：

铜铌复合超导腔由纯铌超导腔及其外表面的厚铜层复合而成；

纯铌超导腔由3mm厚、RRR>300的纯铌制得；

铜层的材质为具有高热导率的TU0无氧铜；

铜层的厚度为5mm；

高频损耗及热流分布的具体确定步骤为：首先通过高频仿真软件计算得到铜铌复合超导腔腔体的高频损耗数据结果，进而确定其腔体的电磁场分布，再进一步求解出腔体表面的热流分布数据结果。

S2、利用传热仿真软件确定导热带与铜铌复合超导腔的连接位置(超导腔的热锚位置)及导热带的截面大小、长度；

连接位置的具体确定步骤如下：将步骤S1所得热流分布数据结果导入传热仿真软件，求出腔体温度分布数据结果；根据腔体温度分布数据结果进一步分析判断，并结合超导腔的结构情况及施工便利性，在温升较高位置增设导热带。

导热带的截面大小及长度的确定步骤为：在已确定的连接位置设置导热带，进行传导冷却模拟；由于传导冷却效果与导热带的界面大小及导热路径长度关系密切，通过优化导热带的截面大小和长度参数，以达到腔体最小的温升，进而确定最佳的截面大小及长度参数。

导热带为TU0无氧铜铜带，其4.2K热导率约为600W/m·K，比高纯铌高一个量级。

经优化后，确定导热带共24根，其在铜铌复合超导腔本体上呈上下对应布设，具体分布图如图1所示，铜铌复合超导腔本体5上共24根，可分为3类：1)内导体端头导热带2；2)内导体中心导热带1；3)端盖导热带3。

导热带的截面尺寸为15mm*20mm，其中内导体端头导热带的长度为250mm，内导体中心导热带的长度为450mm，端盖热锚的长度为380mm。

S3、通过钎焊的方式将各导热带的一端焊接于步骤S2中确定的连接位置，另一端将与超导粒子加速器的低温恒温器中的低温4.2K热锚4链接。

采用上述固体传导冷却方法对铜铌复合超导腔实施传导冷却，实施照片如图2所示，其实施步骤如下：

(1)通过上述步骤在铜铌复合超导腔本体上连接好导热带；

(2)将带有导热带的铜铌复合超导腔装配进入带有低温4.2K热锚的低温恒温器，并将导热带与热锚链接，链接方式为焊接或者螺丝固定；

(3)低温开机进行冷却；

(4)冷却完成后进行腔体低温运行。

效果验证：

1、超导性：

测试方法：将超导腔上的各导热带的与热锚链接的端头垂直浸没于液氦(替代运行时的热锚)中，测试腔体超导性能。同时与将整个超导腔全部浸泡液氦中的传统冷却方式进行比对。

结果表明：两种冷却方式下，腔体性能处于同一水平。

2、机械稳定性

测试方法：在上述超导性测试中同时测试两种冷却方式对腔体频率变化的影响。

结果表明：传统冷却方式(整腔全部浸泡液氦)中，液氦对腔体频率带来的变化不等于0，而上述利用导热带传导的固体冷却方式中，腔体频率变化为0，由此说明固体冷却方式下超导腔的机械稳定性更好。

3、超导腔冷却成本、加速器建造和运行成本的考察

传统冷却方式(整腔全部浸泡液氦)利用液氦冷却时需要制作盛装液氦的液氦槽，通常液氦槽制作成本在15-30万之间。而本发明采用的固体传导冷却方式中导热带的制作成本通常在5万以内，一套超导腔的冷却设施即可节约10-25万制造成本，对于目前国内几大超导直线加速器项目所需超导腔数量均在100套以上，采用本发明提供的固体传导冷却方式所带来的成本效益是巨大的。

对比例1

与实施例1的区别仅在于内导体中心位置未加导热带，其表面最高温度将比实施例1高0.15K。

对比例2

与实施例1的区别仅在于端盖未加导热带，其表面最高温度将比实施例1高0.57K。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。