我國首套銅鈮複合腔超導加速單元研製成功

光明日報蘭州1月4日電（記者王冰雅、尚傑）由中國科學院近代物理研究所自主研製的我國首套銅鈮複合腔超導加速單元日前通過各項測試。這一成果的取得，將有力提升我國在加速器領域的技術水平，為超導加速器的工業化應用提供更加經濟和高效的技術方案。

超導加速器在高通量中子源、高通量繆子源等兆瓦級高功率離子束應用中具有顯著優勢，能夠應用於核廢料嬗變處理、稀有同位素生産等國家重大戰略需求領域。超導腔是超導加速器的核心組成部分，具有加速電場高、加速效率高等特點。兼具高性能與高穩定性的超導加速方案是實現兆瓦級高功率離子束應用的關鍵。

然而，傳統純鈮超導腔的穩定性在面向高功率離子束應用場景方面還存在巨大的挑戰。由於通常採用3至5毫米厚的薄壁結構，其對液氦壓力波動、機電振蕩及內壁電磁壓力等環境噪聲異常敏感，導致腔體的頻率發生漂移，影響超導腔穩定運行。

針對這一問題，研發團隊提出了新的複合材料技術路線，即充分利用純鈮良好的射頻超導性能、厚銅層良好的導熱性能和機械強度，從而提高超導腔的傳熱能力和環境噪聲抵抗能力。團隊經過5年多努力，在銅和鈮之間引入過渡金屬層，攻克了銅鈮界面材料難以互溶的難題，實現了銅和鈮的高強度結合，還解決了複雜曲表面覆高品質厚銅層等多個技術難題。

該團隊研發的超導加速單元由9支半波長型銅鈮複合超導腔組成。在4.2K（約零下269攝氏度）的低溫測試環境中，銅鈮複合超導腔的平均表面峰值電場達到35兆伏每米，其加速能力與原純鈮超導腔的最好水平相當；其平均腔體頻率洛倫茲失諧系數和平均腔體頻率氦壓敏感系數分別降至約-4.9赫茲每平方兆伏每米和-2.9赫茲每毫巴，是原純鈮超導腔單元對應值的50%和15%，這兩項系數越小，説明腔體的頻率穩定性越好。

此外，與通常依賴昂貴2K（約零下271攝氏度）液氦系統進行製冷的純鈮超導腔相比，銅鈮複合超導腔能夠在成本相對低廉的4.2K（約零下269攝氏度）液氦環境中實現高穩定運行，大幅降低製冷成本。