通过减缓中场 Q 曲线优化超导 Nb 薄膜腔体
加速器物理
2025-07-14 v1
摘要
Niobium 薄膜因其在各种超导器件中的应用前景，如粒子加速器的超导射频腔体和量子计算的超导量子比特，受到广泛关注。本研究针对 Nb 薄膜腔体中顽固的中场 Q 曲线问题进行了研究。尽管 Nb 薄膜腔体在低射频场时具有高品质因子，但在中等射频场下的 Q 曲线显著高于 bulk Nb 腔体。传统的热处理方法在降低表面电阻和缓解 bulk Nb 腔体的 Q 曲线方面效果显著，但对镀铜腔体的 Nb 薄膜应用却提出挑战。为克服这一困难，我们采用 DC 偏置高功率脉冲磁浊 sputtering 法在 1.3 GHz 单胞椭圆形 bulk Nb 腔体表面沉积 Nb 薄膜，并进行退火处理以修改 Nb 薄膜的性能。340°C 的原位退火将熔炼场从 10.0 MV/m 提升至 12.5 MV/m。600°C 和 800°C 真空炉退火 3 小时后，熔炼场分别提升至 13.5 和 15.3 MV/m。进一步以 800°C 退火 6 小时后，熔炼场提升至 17.5 MV/m。此外，退火处理显著降低了表面电阻的场依赖性。但将退火温度提高至 900°C 会导致腔体出现 Q 开关现象。通过对退火前后射频性能和材料表征的分析，为理解 Nb 薄膜微结构和杂质水平如何影响 Nb 薄膜腔体 Q 曲线演化提供了关键见解。我们的研究表明，氢化物、局部高位错伞以及晶格和表面缺陷在驱动场相关损耗中发挥着重要作用。
引用
@article{arxiv.2507.08638,
title = {Optimizing Superconducting Nb Film Cavities by Mitigating Medium-Field Q-Slope Through Annealing},
author = {B. Abdisatarov and G. Eremeev and H. E. Elsayed-Ali and D. Bafia and A. Murthy and Z. Sung and A. Netepenko and A. Romanenko and C. P. A. Carlos and G. J. Rosaz and S. Leith and A. Grassellino},
journal= {arXiv preprint arXiv:2507.08638},
year = {2025}
}