超导腔高Q机理研究项目取得重要进展

近期，我校大科学中心联合物质学院与中科院上海高等研究院团队，报道了超导腔掺氮工艺的机理研究。该成果以“Unraveling the Nanoscale Segregation Mechanism in N-Doped Niobium for Enhanced SRF Performance”为题，在国际知名期刊Small Methods上发表。

射频超导加速器（SRF accelerator）是包括硬X射线自由电子激光、粒子对撞机、同步辐射光源等大科学装置的核心功能部件。其中，通过先进表面工艺获得高品质因数（Q）的超导腔是建造高性能加速模组的重要前提。高Q是降低超导模组的低温功耗的关键，具有十分重要的经济价值。然而，在大于10 MV/m的高加速梯度场下保持高Q十分具有挑战性。取得高Q的关键在于降低超导腔的表面电阻值，这取决于超导腔内表面百纳米深度内的材料结构与性质。因此，聚焦超导腔先进处理工艺下的材料机理研究具有重要意义。

超导腔高Q机理研究是大科学中心、物质学院、中科院上海高等研究院的科研团队共同参与的研究项目，其目标是合作开展超导腔性能机理研究，为超导腔制造工艺提供材料分析支撑与改进指导，并为下一代射频超导腔的关键技术开发提供相关技术基础。近期，该团队在超导腔掺氮工艺机理研究方面取得重要进展。研究人员通过结合表面敏感谱学与高分辨电子显微学的探测方法，对不同工艺路线的随腔样本进行了细致研究。研究结果表明，铌腔热处理过程中存在多种元素相关的中间相偏析，特别是纳米富碳相会阻碍超导腔的表面氮化过程，限制氮与铌亚表面之间的相互作用。因此，在热处理过程中准确控制中间相的形成对于提高超导腔的最终性能至关重要。该项工作对不同类杂质元素结合机制的详细分析为进一步改进超导腔尖端处理技术提供了有力的指导。

图1. 特斯拉型1.3GHz单cell超导腔掺氮工艺路线图、射频性能比较和预期成本

对于1.3GHz单cell腔，改进后的超导腔掺氮工艺可同时实现≥4E10(@20 MV/m)的高Q值和最大加速梯度超过30 MV/m，在已报导的同类型超导腔中处于国际顶尖水平。项目团队已实现高Q超导腔处理的国产化；上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE）首台高品质因数（Q）工艺八腔超导加速模组样机已于去年完成初步水平测试，运行在128MV时平均Q值超过2E+10，其中部分超导腔采用的正是掺氮工艺。

大科学中心陈照熙为论文的共同第一兼通讯作者，中科院上海高等研究院宗玥、物质学院柴岳为共同第一作者。大科学中心柳学榕、物质学院王竹君、中科院上海高等研究院陈锦芳为通讯作者。物质学院蔡军、张青为实验测试分析提供了技术指导。物质学院电镜中心、分析测试平台、创意与艺术学院CASE实验室提供了相关测试条件。该项目得到了大科学中心、超导高频腔相关前沿技术研究项目、双一流学科项目的支持。