Диденко Сверхпроводясчие ускоряюсчие 2008

Электрохимическое полирование может осуществляться двумя способами: при постоянном напряжении и при переменном напряжении. При реализации первого способа резонатор является анодом в электролитической ванне [5.9].

При подборе напряжения между анодом и катодом возможно самовозбуждение низкочастотных колебаний тока, которое проявляется в образовании на вольт-амперной кривой участка с отрицательной дифференциальной проводимостью [5.10] (рис.

5.6).
J, мА/см2
120
80
	А			В
40
0
0	0,5	1,0	1,5	U, В
Рис. 5.6. Вольт-амперная кривая при электрохимическом полировании
	сверхпроводящего резонатора

С повышением напряжения возникают колебания тока, которые носят сначала синусоидальный, а затем релаксационный характер. На вольтамперной кривой этот участок соответствует области потенциалов на отрезке АВ. Этот режим является режимом истинной полировки, при нем неровности имеют наименьшую высоту. При дальнейшем повышении напряжения наступает срыв колебаний.

При электрополировке продукты реакции накапливаются около электродов. Для обеспечения доступа электролита к обрабатываемой поверхности применяется перемешивание электролита. Перемешивание должно тщательно контролироваться, так как при его высокой интенсивности возможно появление волнистости на поверхности резонатора. В

281

случае использования переменного напряжения происходит определенное перемешивание электролита из-за импульса обратной полярности. Полирование при переменном напряжении применяется в случае необходимости снять достаточно большие слои металла, так как скорость травления достаточно велика – до 3 мкм/мин. Эта величина в несколько десятков раз превышает скорость полировки на постоянном токе [5.11].

Материал обрабатывается в потоке смеси кислот, которая одновременно является электролитом. При этом сглаживаются острые края и поверхность становится очень гладкой, что является значительным преимуществом метода по сравнению с химическим травлением. С использованием метода электрополировки можно обеспечить большие напряженности ускоряющего поля в секциях. Для единичной ячейки преодолен порог 40 МВ/м.

Секция размещается горизонтально в фиксирующей оправке, которая обеспечивает ее герметизацию при вращении относительно продольной оси. Катод в виде стержня, изготовленного из алюминия высокой чистоты, устанавливается в апертуре для пролета пучка. Катод имеет несколько отверстий, через них в секцию закачивается электролит. Катод подсоединен к отрицательному полюсу источника постоянного напряжения. Сама секция является анодом и присоединена к положительному полюсу источника напряжения. Электролит – смесь фтористоводородной и серной кислот в соотношении по объему 1:9 или 1:10. В начале процесса секция заполнена до уровня 60% высоты катода. Вращение секции осуществляется с небольшой скоростью около 1 оборота в минуту. Источник питания обеспечивает плотность тока 50 мА/см2. Секция подвергается полировке в течение 6 − 7 часов, при этом снимается 150 мкм толщины ниобия. Температура электролита поддерживается равной 30° С, при этом скорость травления составляет 0,4 мкм/мин. После завершения травления секция промывается потоком особо чистой воды для устранения химических осадков и опасных включений. На рис. 5.7 показан общий вид установки для электрополировки секции в DESY.

282

Рис. 5.7. Установка для электрополировки секции в DESY

Применяются также другие составы электролита: смесь кислот по объему от 1:8 плавиковой (HF 45%) и серной (H2SO4 96%) до 1:10 плавиковой (HF 45%) и серной (H2SO4 96%) с водой благодаря гигроскопичности серной кислоты. Скорость удаления загрязненного слоя при напряжении 17 В, объемной смеси 1:9, температуре 20° С составляет 0,3 – 0,4 мкм/мин.

Достоинством метода электрополировки является то, что при снятом напряжении смесь не вступает в реакцию с ниобием. На рис. 5.8 показано сравнение поверхности резонатора после химической полировки и электрополировки.

200 мкм

аб

Рис. 5.8. Поверхность резонатора: а – после химической полировки; б –после электрополировки

283

Преимущества метода электрополировки видны из рис. 5.9. При химическом травлении максимальный градиент составляет 28,9 МВ/м, при электрополировке – 35,6 МВ/м.

	40
ячеек	30	После
Число
		стандартного
		травления	После
	20		электрополировки
	10
	0
	25	30	35
		Ускоряющий градиент, МВ/м

Рис. 5.9. Достигаемый ускоряющий градиент при различных методах полировки

Технология электрополировки была успешно применена к секциям, состоящим из девяти ячеек совместно DESY и КЕК [5.12]. В DESY проводился термический отжиг ячеек (пяти ячеек при 800° С, четырех – при 1400° С). В лаборатории КЕК осуществлена электрополировка, полная сборка и финальная промывка осуществлены в DESY. Испытания девяти секций на высоком уровне мощности показали следующие результаты. В четырех градиент поля составил не менее 35 МВ/м, в пяти – не менее 30 МВ/м. В двух секциях развивалась автоэлектронная эмиссия. После дополнительной электрополировки автоэмиссия была устранена. Рекордная напряженность поля, достигнутая в этой серии экспериментов, равнялась 40 МВ/м, что является уникальным результатом для секций, состоящих из нескольких ячеек.

Резонаторы, прошедшие электрополировку, были исследованы на высоком уровне мощности при номинальной длительности

284

импульса, при этом время заполнения секции составляло 500 мкс, плоская вершина – 800 мкс. Частота повторения импульсов изменялась в диапазоне 1− 10 Гц. Добротность секций превышала 7·109. Градиент поля составлял не менее 35 МВ/м и в резонаторе с добротностью 1010 достиг 37 МВ/м. Прогрев секций до 300 и 150 К с последующим охлаждением не ухудшил характеристик секций.

Долговременные испытания секций в течение 1100 часов при градиенте 35 МВ/м не выявили деградации характеристик секций. Термические пробои (квенч-эффект) не привели к ухудшению добротности резонаторов.

Одной из составляющих электрохимического полирования является анодное оксидирование. Обрабатываемое изделие помещается в ванну в качестве анода, катодом служит обычно второй электрод из ниобия, платины или алюминия. Отличительной особенностью является то, что из электролита полностью исключены компоненты, способствующие растворению оксидной анодной пленки.

С помощью анодного оксидирования можно получить хорошее защитное покрытие, очистить поверхностный слой сверхпроводника от примесей легких элементов. Применение метода позволяет также очистить сверхпроводник от примесей тяжелых металлов, таких, как тантал, вольфрам, железо [5.13].

Применение оксидного слоя из Nb2O5 может способствовать подавлению мультипакторного разряда. Кроме того, Nb2O5 имеет малые потери в СВЧ диапазоне. Исследования показали, что коэффициент вторичной эмиссии ниобия 1,6 – 1,25, ниобия с защитной пленкой – 1,15. В связи с этим участки поверхности резонаторов, которые подвергаются воздействию больших магнитных полей и электронной бомбардировке, специально покрываются анодной пленкой Nb2O5.

Оксидное покрытие приводит к уменьшению автоэмиссии на несколько порядков. Идеальное диэлектрическое покрытие подавляет автоэмиссию, повышает пробивное напряжение, но может внести дополнительные диэлектрические потери в резонатор. Тем не менее нанесение защитной оксидной пленки на поверхность резонатора приводит к увеличению добротности. Это можно объяснить тем, что при анодном оксидировании в первую

285

очередь окисляются микронеровности, что ведет к существенному сглаживанию микрорельефа поверхности. Кроме того снижается локальная напряженность электрического поля за счет высокой диэлектрической проницаемости пленки Nb2O5, которая равна шести в СВЧ диапазоне.

В зависимости от режима оксидные слои могут быть трехслойными NbO – NbO2 – Nb2O5, двухслойными NbO – Nb2O5 либо однослойными Nb2O5. В то же время именно прослойки NbO и NbO2 являются причиной увеличения остаточного сопротивления и часто способствуют возрастанию эмиссионных эффектов.

Одно из препятствий применения сверхпроводящих резонаторов – ухудшение их характеристик со временем из-за изменения свойств рабочей поверхности резонатора. Даже при давлении 10 –6 Тор чистый ниобий является хорошим геттером, сильно поглощающим газы, находящиеся в объеме. Этот процесс можно в значительной степени предотвратить созданием на стенках резонатора защитного покрытия в виде пятиокиси ниобия. Такое покрытие обеспечивает защиту поверхности ниобия на протяжении значительного времени, не вносит больших диэлектрических потерь, сохраняет высокую добротность резонатора.

Ниобий с малым содержанием примесей имеет высокую стоимость, что сдерживает его применение в крупных установках. Альтернативным решением может стать применение ниобия с повышенным содержанием примесей и проходящего предварительную обработку. Этой обработкой является электрохимическая очистка ниобия, основанная на оксиполировании, то есть на последовательном нанесении и удалении анодного окисного покрытия. Процедура повторяется 8 – 10 раз. Это позволяет снизить содержание примесей в 8 – 10 раз на глубине до 6 – 8 мкм, что существенно больше проникновения СВЧ поля в сверхпроводник [5.14].

При нанесении покрытия нужно обеспечивать условия получения слоя из Nb2O5 и подавления образования слоев низших оксидов ниобия. Эти оксиды приводят к увеличению эмиссионных эффектов и потерь на поверхности сверхпроводника.

286

5.3. Промывка и тепловая очистка (отжиг)

После химической очистки секция промывается и высушивается перед помещением в вакуумный объем для тепловой очистки.

Рис. 5.10. Установка для промывки секции в DESY

Для промывки секция устанавливается в вертикальном положении в баке ополаскивания; внутрь структуры вдоль ее оси медленно перемещается сопло, разбрызгивающее особо-чистую воду. Сама структура вращается относительно своей оси. Давление разбрызгиваемой воды составляет 80 − 100 бар, что обеспечивает силу воздействия на поверхность 40 Н. Сопло перемещается вдоль оси структуры несколько раз, чем достигается качественная очистка внутренних стенок секции от посторонних частиц. Такое ополаскивание (промывка) секции является наиболее

287

эффективным методом очистки поверхности секции от загрязнений. Подготовка секции к промывке показана на рис. 5.10.

Содержание примесей тяжелых металлов не изменяется во времени, тогда как концентрация внедренных легких элементов (кислорода, водорода, азота, углерода) может существенно изменяться от условий обработки и хранения материала. Для снижения концентрации этих примесей применяется отжиг резонатора в высоком вакууме (10-6 – 10-8 Па) при высокой температуре (1800 – 2200° С) [1.11].

При длительном отжиге в стенках резонатора устанавливается относительно однородная по глубине концентрация примесей. Каждому сочетанию давления остаточных газов и температуры отжига соответствует вполне определенная концентрация устойчивого состояния отдельных газов. Поэтому для достижения малых концентраций примесей необходимо обеспечить максимально возможный вакуум в печи отжига. На рис. 5.11 показана операция установки секции в вакуумную печь для отжига.

Рис. 5.11. Установка в DESY для отжига секции в высоком вакууме

288

Очень важной является технологическая операция охлаждения резонаторов, при котором важно не допустить нарушения гомогенности поверхностного слоя, в частности, из-за сегрегации на поверхности кислорода, служащей предварительной ступенью образования включений диоксида ниобия [5.15].

Высокотемпературный отжиг осуществляют в печах с индукционным нагревом либо в печах с высокоомными нагревательными элементами. Наиболее распространены печи второго типа. На рис. 5.12 показан внешний вид такой печи Научно-исследовательском институте ядерной физики Томского политехнического университета.

Рис. 5.12. Внешний вид печи для отжига сверхпроводящих резонаторов

При отжиге кислород удаляется из ниобия в виде летучих оксидов NbO и NbO2, а не в виде молекул газа, как это имеет место для водорода и азота. Скорость испарения NbO пропорциональна концентрации кислорода в ниобии, скорость испарения NbO2 – квадрату концентрации кислорода. Дегазация твердых растворов ниобия при содержании кислорода менее 1% протекает по реакции первого порядка. При этом скорость удаления кислорода в составе окисла NbO при температуре выше 2250 ° С перестает зависеть от

289

температуры. Поэтому эту температуру можно считать верхним
пределом для выбора температуры отжига ниобия.
Зависимости температуры и давления остаточных газов от
времени в рабочей камере печи показаны на рис. 5.13.
t° , C
2400				а
1600
800
0
0	12	24	36	Время, час
P, Па
				б
10-5
10-6
0	12	24	36	Время, час

Рис. 5.13. Зависимости от времени обработки:

а – температуры; б – давления остаточных газов в печи

Углерод, который находится в поверхностном слое ниобия, можно удалить только посредством образования его летучих соединений с кислородом, водородом и фтором. При температуре выше 1000 ° С диффузия углерода к поверхности становится достаточно быстрой, однако водород и фтор уже десорбированы. В

290