射频超导腔用高纯铌材的制取方法及发展

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1、射频超导腔用高纯铌材的制取方法及发展　　射频超导腔用高纯铌材的制取方法　　各国的制取方法。世界上生产高纯铌的厂家有多国，如巴西、日本、美国、德国以及我国等国家都有相关的生产厂家，不同的国家也有各自不同的生产技术。比如德国海拉斯公司制取高纯铌材的方法是先在市场上买回铌锭，用铌锭来做作为原材料加工，加工的设备采用电子束炉熔炼，其熔炼的过程要进行多次，通过多次的熔炼达到生产出的铌锭的RRR值到300以上的标准，之后再进行锻造开坯、轧制和退火等，从而生产出射频超导腔用的高纯铌板。美国以及我国等国家的生产方式是先用化工还原技术，将五氧

2、化二铌还原成粗铌，然后再运用电子束炉来进行熔炼，熔炼的方式同样是要经过多次反复的熔炼生产出RRR值到达300以上的高纯铌锭，之后的加工工艺和德国的工序方式相差不大，都是再对铌锭进行锻造开坯、轧制退火等。总的来说各国的工艺有一定的差别，但是整体上的工序还是相差不大。　　杂质的去除。铌材料中一般都会有其它的杂质，如果杂质含量过多，那么不仅对腔内射频向外散发热量有影响，而且会降低铌材在液氦温区的导热系数，因为铌材既是超导体也是热导体，是高能粒子运动中产生的能量向外传递的载体，所以在超导性和热导性上超导腔用铌材要具备很好的性能，因此

3、在一般的运用在高梯度超导射频腔中的铌材都要具备很高的纯度。　　一般金属铌中含有的杂质比例各不相同，但是其杂质的种类可以规划为四种，第一种是杂质含有铋、砷、锑等元素，第二种是含有钴、镍、锰、铝、镁、铁的蒸汽压高的金属；第三种是含有钽、钼、钨等高熔点金属；第四种是含有氧、氮、氢、碳等非金属元素。如图所示：　　通过图1我们可以发现，钨和钽的蒸汽压要低于铌，但是他们的熔点却比铌要高，因此在加工处理上，仅仅一次的加工处理是很难让这些杂质有效分离的，针对的其他杂质还可以通过各种设备来去除降低，比如用电子束区域熔炼、电子束熔炼等方法来进行

4、，但是对于上述第三种杂质要想有效去除，针对这些元素本身熔点高的特征，那么就要采用五氧化二铌为原材料的加工技术。　　粗铌的制备。运用重结晶工艺方法可以萃取出五氧化二铌，而运用五氧化二铌还原加工成粗铌正是我国采用的制作高纯铌材的技术，大多采用的方法有铝热还原法和碳热还原法，对五氧化二铌进行精炼提取。从一般情况来讲，还有很多国家采用铝热还原法，因为铝热还原法具备价格上的优势，再者铝热还原法中的铝有很高的活性性质，对于国际日益响应的低碳经济，铝热还原法可以制作出无碳的铌材。相对于铝热还原法，碳热还原法仍然是一种生产铌材的重要技术手段

5、，但是运用这样的方法，在其生产运作中碳与铌和钽还会产生化学反应，会生成结构很稳定的化合物，这些化合物的熔点比纯铌的熔点要高很多，因此控制的工作要很严格。　　射频超导腔用的高纯铌的制作。射频超导腔用的高纯铌材大多运用的精炼方法是电子束精炼提纯，通过精炼提纯的方式对杂质进行降低去除处理，通过去除杂质来提炼出RRR值大于300的高纯铌，其加工的整个过程会制造出不同的污染，因此也要及时合理地对污染进行去除。制作出了高纯铌以后，要对具有RRR值大于300的铌材进行开坯、初轧、酸洗、退火的加工，然后再进行轧制、酸洗、退火的多次加工，最终

6、再进行抛光和酸洗制作出射频超导腔用的高纯铌材。　　射频超导腔用高纯铌材的发展　　从六七十年代看，国外大多运用电子束熔炼铌和电子束悬浮区熔精炼技术，通过这两种技术的运用来提取纯度较高的金属铌。这个年代的日本东洋曹达公司采用了金属铌→卤化物制取→加热气化→精馏分离工艺，其铌材纯度可到达99.997%，但是铌材的RRR值却无法达到300，因此无法有效运用在射频超导腔中。　　通过几十年时间的发展，国内外也在不断提高射频超导的性能，在其腔体的形体上做出了优化，在发射效应上，做出了消除二次电子发射的措施，借助高纯铌材的运用，提高其腔体的

7、热导性以及抗热崩溃性，在射频超导腔体的梯度环节上有了很多的提升。此外，射频超导腔体的清洗技术也在随着时代的进步而发展，克服了场致发射的问题。其中康奈尔大学在2007年研制出了1.3GHzRE超导腔，其超导腔的加速梯度达到59MV/m，是现在世界的最高记录。　　随着射频超导腔梯度的发展，对于适用于其中的材料国内外的人员也做出了很多研究，在这些研究中，针对于大晶粒铌材的研究获得了一定的进展。大晶粒铌材高纯铌板的进展表现在两方面，一是大晶粒铌材的工艺得到改善，其改善的冶炼工艺更为简化，仅仅需用电子束熔炼就可以从铌锭上获得需要的铌板

8、；二是大晶粒铌材的杂质集中在晶界处，对于杂质的去除更为方便，从很大程度可以提高射频超导腔体的多方面性能。此外，性能得到提高的同时，在消除高纯铌材制取过程的污染上也有很大进展，主要是针对材料中开坯、轧制的工作流程中进行了合理控制，减少了污染的产生和排放。再者，在制作射频超导腔用的高纯铌材时，