中温热处理超导腔性能与氧扩散长度的相关性

这项综合研究是欧洲XFEL研发工作的一部分，阐明了250°C至350°C之间的中温（mid-T）热处理对1.3 GHz超导射频（SRF）铌腔性能的影响。利用DESY配备中间真空室和低温泵的翻新铌坩埚炉，我们着手研究以提升最先进的SRF腔技术。我们的研究表明，中温热处理显著提高了腔的品质因子（$Q_0$），在场强约16 MV/m时达到$2\cdot10^{10}$至$5\cdot10^{10}$，而最大场强限制在25-35 MV/m，并且观察到对捕获磁通量的敏感性增强。此外，我们深入研究了表面杂质浓度变化的影响，特别是氧含量的扩散及其对性能提升的影响。通过使用整个温度分布计算扩散长度来对处理进行分类，我们识别出表明存在有利于优化腔性能的最佳扩散长度的模式。来自样品的SIMS结果在大多数情况下证实了计算的氧扩散长度。偏差主要归因于细晶材料中的晶界，需要单晶材料上的重复测量来进一步研究这一现象。对冷却速率以及由此产生的跨腔空间温度梯度（范围从0.04到0.2 K/mm）的研究表明，在中温热处理后，与性能没有显著相关性。然而，对捕获磁通量敏感性的增加给下一代加速器技术的探索带来了新的挑战，因为对磁洁净度的要求变得更加严格。