[发明专利]一种超导腔制造方法

说明书

本发明公开了一种超导腔制造方法，其步骤包括：1)通过旋压工艺将所选铌板旋成圆筒，然后将筒底切除，保留圆柱形筒体部分作为铌筒；2)将铌筒内表面、铌筒外表面以及与铌筒接触的模具表面擦拭干净；3)将多片式圆柱聚氨酯放入铌筒中；将装有聚氨酯的铌筒放入凹模中并固定凹模，然后将柱形芯块吊入铌筒；4)将所述柱形芯块向下运动作用在铌筒内的聚氨酯上，通过聚氨酯变形并使铌筒逐渐向凹模变形，最后与凹模贴合，形成具有中间凸肚的铌筒；5)对该具有中间凸肚的铌筒进行拔口和机加工，得到超导腔外导体，然后将超导腔外导体与超导腔的相关部件焊接得到超导腔。本发明整个部件没有焊缝，一体成型，有效避免了电子束焊缝可能引入的风险。

技术领域

本发明涉及一种超导腔制造方法，属于加速器物理技术领域。

背景技术

20世纪60年代以来，随着射频超导技术的日趋成熟，超导加速器逐渐发展为一类有前途的新型加速器。相对于常温加速器，射频超导加速器在低温超导状态下，具有很小的表面电阻，因此腔壁损耗低，在高加速梯度下也可以运行在长脉冲甚至连续波(CW)模式，在经济上和技术上具有巨大的优越性，广泛应用于各种同步辐射光源、高能物理实验装置以及各种质子、重离子加速装置。

超导加速器是用超导加速腔或超导磁体建成的。超导腔作为超导加速器最关键的核心部件，是整个系统的“发动机”，源源不断地为束流提供能量。所以，如何改进超导腔的性能是加速器技术领域的重要课题。限制超导腔梯度提高的主要因素包括：热失超、电子倍增效应、场致发射、氢中毒、品质因素下降(Q-slope)、磁场集中等，超导腔性能提高即追求更大的加速梯度下实现更高的品质因素。

限制超导腔性能提高的因素几乎都与超导腔的制造品质有关。提升超导腔的加工工艺和技术水平，改善超导腔的内表面质量，将为超导腔的性能改善做出重大贡献。

截至目前，与本发明最接近的技术方案是超导腔的常规制造工艺，即部件加工(常用的方法有冲压、卷制、旋压、机加工等)和电子束焊相结合的方式。如图1所示。其中，通过冲压、卷制、旋压和机加工等工艺实现超导腔的部件制造及焊前配合，然后用电子束焊接将超导腔的各个部件焊接成一个整体。

冲压技术是利用压力机使板材在模具中受压发生塑性形变成形，工作原理如图2所示。冲压时，铌板通过中心定位孔固定在阴模(或阳模)上，压力机作用下阳模(阴模)向下运动，并与阴模(阳模)扣合，使铌板逐渐发生变形。为了减小回弹，保证冲压件的质量，一般采用多次冲压成形并设计合理的压边装置。冲压技术广泛应用于超导腔的成形制造。

卷制是利用工作辊相对位置变化和旋转运动，使板材依次获得相同曲率的塑性弯曲变形。卷制工艺过程由预弯、对中、卷圆、矫圆过程组成，如图3所示。卷制工艺常用于超导腔大尺寸圆筒形部件的成形。

旋压加工是通过旋轮等工具做进给运动，对随芯模沿同一轴线旋转的板坯或管坯上施压，使其产生连续局部塑性成形，成为所需空心回转件的成形方法。将坯料放置在主轴和芯模中间，转动主轴并使坯料作径向转动；令旋轮作用到坯料上，旋轮本身做轴向运动；旋轮对坯料给予一定的力，推动其向芯模移动，如图4所示。

在旋压过程中，旋轮与毛坯是逐点接触的，只需很小的力就能使金属发生变形，具有省力、节能的特点；加工形状丰富，包括了几乎所有轴对称结构的金属制品；材料利用率高、生产成本低；具有自检功能，毛胚中的夹杂、裂纹等缺陷会自己暴露出来等。但是，旋压技术也存在一些局限性：除了圆筒、圆锥形等薄壁回转体零件外，其他复杂形状选择旋压技术是不经济的；大批量生产时效率低、且一致性不如冲压；对旋压设备及操作者要求较高；厚度均匀性难以保证等。旋压工艺也是超导腔成形的重要手段。

机械加工技术是应用最为广泛、技术最为成熟的工艺之一，是指通过各种机械设备改变零件的形状或尺寸，使零件的加工精度和加工表面质量达到图纸规定的过程。可采用加工中心、车铣中心、高压水切割等设备进行数控加工。在超导腔部件加工的过程中，几乎都需要机加工和矫形将尺寸调整到符合图纸状态。