Композитный сверхпроводник на основе медно-ниобиевого композита
Первый в нашей стране сверхпроводящий ускоритель с композитным медно-ниобиевым композитом недавно успешно прошел различные испытания. Это достижение значительно повысит технологический уровень нашей страны в области ускорителей, обеспечив более экономичное и эффективное техническое решение для промышленного применения сверхпроводящих ускорителей.
Сверхпроводящие ускорители обладают значительными преимуществами в приложениях с мощными ионными пучками мегаваттного уровня, таких как источники нейтронов с высоким потоком и источники мюонов с высоким потоком, и могут применяться в основных областях национальных стратегических потребностей, таких как переработка ядерных отходов и производство редких изотопов. Сверхпроводящий резонатор является основным компонентом сверхпроводящего ускорителя, характеризующимся высокими ускоряющими электрическими полями и высокой эффективностью ускорения. Схема сверхпроводящего ускорения, сочетающая высокую производительность и высокую стабильность, является ключом к реализации приложений с мощными ионными пучками мегаваттного уровня.
Однако стабильность традиционных сверхпроводящих резонаторов из чистого ниобия по-прежнему сталкивается со значительными проблемами в приложениях с мощными ионными пучками. Из-за обычно тонкостенной структуры толщиной от 3 до 5 миллиметров, она чрезвычайно чувствительна к внешним шумам, таким как колебания давления жидкого гелия, электромеханические колебания и электромагнитное давление на внутренних стенках, что вызывает дрейф частоты в резонаторе и влияет на его стабильную работу. Для решения этой проблемы исследовательская группа предложила новый подход к технологии композитных материалов. Этот подход в полной мере использует превосходные радиочастотные сверхпроводящие свойства чистого ниобия и хорошую теплопроводность и механическую прочность толстого слоя меди для улучшения теплопередающей способности и устойчивости сверхпроводящего резонатора к внешним шумам. После более чем пяти лет работы команда ввела слой переходного металла между медью и ниобием, преодолев проблему плохой смешиваемости материалов на границе раздела медь-ниобий. Это привело к созданию высокопрочной связи между медью и ниобием, а также к решению ряда других технических проблем, включая покрытие сложных изогнутых поверхностей высококачественным толстым слоем меди.
Разработанный командой сверхпроводящий ускорительный блок состоит из девяти полуволновых композитных сверхпроводящих резонаторов из меди и ниобия. В криогенных условиях испытаний при температуре 4,2 К (приблизительно -269 градусов Цельсия) композитный сверхпроводящий резонатор из меди и ниобия достиг среднего пикового электрического поля на поверхности 35 МэВ/м, что сопоставимо с лучшими показателями исходного сверхпроводящего резонатора из чистого ниобия. Средний коэффициент Лоренца расстройки частоты резонатора и средний коэффициент чувствительности частоты резонатора к давлению гелия снизились примерно до -4,9 Гц/м² и -2,9 Гц/мбар соответственно, что составляет 50% и 15% от соответствующих значений для исходного сверхпроводящего резонатора из чистого ниобия. Чем меньше эти коэффициенты, тем лучше частотная стабильность резонатора.
Кроме того, по сравнению с чисто ниобиевыми сверхпроводящими резонаторами, которые обычно используют дорогостоящие системы охлаждения жидким гелием при температуре 2 К (приблизительно -271 градус Цельсия), композитный сверхпроводящий резонатор из меди и ниобия может обеспечить высокостабильную работу в относительно недорогой среде жидкого гелия при температуре 4,2 К (приблизительно -269 градусов Цельсия), что значительно снижает затраты на охлаждение.
Достигнут значительный прогресс в применении ниобиево-тритиновых материалов в радиочастотной (РЧ) сверхпроводимости. Разработанный твердотельный сверхпроводящий электронный ускоритель на основе ниобиево-тритинового материала с проводящим охлаждением впервые в мире достиг стабильной работы пучка. Разработка этого ускорителя была поддержана проектами, включая Национальный крупный научно-технический инфраструктурный проект, Генеральную программу Национального фонда естественных наук Китая (NSFC), Ассоциацию содействия молодежным инновациям Китайской академии наук и Гуандунскую провинциальную лабораторию передовых энергетических наук и технологий.
Материалы на основе ниобия и тритина обладают температурой сверхпроводящего перехода, вдвое превышающей температуру металлического ниобия, что представляет собой важный прорыв в разработке сверхпроводящих материалов следующего поколения для ВЧ-диапазона, а также является передовой областью исследований и конкурентным преимуществом в этой сфере. Применение ниобия и тритина позволяет значительно снизить тепловую нагрузку, повысить рабочую температуру ВЧ-сверхпроводящих ускорителей и упростить их системную сложность. Это не только снижает потребность в крупномасштабных криогенных системах и затраты на техническое обслуживание сверхпроводящих ускорителей, но и способствует миниатюризации и промышленному применению ВЧ-сверхпроводящих ускорителей.
Институт современной физики (ИМФ) стал пионером в исследованиях технологии ВЧ-сверхпроводящих материалов на основе ниобия и тритина в Китае, реализовав весь процесс получения сверхпроводящих тонких пленок из ниобия и тритина — от оборудования и механизмов до производственных процессов. При поддержке Гуандунской провинциальной лаборатории передовых энергетических наук и технологий команда совершила прорыв в ключевых технологиях системной интеграции и применения радиочастотной сверхпроводящей технологии на основе ниобия и тритина. Они первыми в мире успешно разработали и стабилизировали твердотельный ускоритель на основе сверхпроводящей электроники с кондуктивным охлаждением на основе ниобия и тритина.
Это достижение демонстрирует и подтверждает системную интеграцию и стабилизацию пучка в ускорителях на основе сверхпроводящей ниобия и тритина, что имеет огромное значение для нашей страны, позволяя ей совершить скачок от догоняющего уровня к лидерству в области радиочастотной сверхпроводящей технологии следующего поколения. Это поможет нашей стране воспользоваться исторической возможностью освободиться от ограничений, связанных с жидким гелием, и перейти к практическому применению радиочастотной сверхпроводящей технологии, достигнув технологического пика в области промышленных ускорителей. Она имеет широкие перспективы применения в таких областях охраны окружающей среды, как очистка сточных вод и отходящих газов, в сфере национальной безопасности, например, в производстве специального испытательного оборудования, в медицине и здравоохранении, например, в производстве изотопов, а также в сельском хозяйстве и биологии, например, в консервировании и дезинфекции пищевых продуктов.