超導(dǎo)高頻技術(shù)作為當(dāng)前國(guó)際發(fā)展迅速、競(jìng)爭(zhēng)激烈的戰(zhàn)略前沿技術(shù)，廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、能源科學(xué)及量子計(jì)算等多個(gè)領(lǐng)域?；诟呒冣壵w鑄造的高頻超導(dǎo)腔具有高加速梯度、高品質(zhì)因數(shù)等優(yōu)勢(shì)，但其建造與運(yùn)行成本高昂、工作溫度低（2.0K），且性能已接近理論極限。與之相比，以銅腔為基底、內(nèi)壁鍍覆超導(dǎo)薄膜的高頻腔技術(shù)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)：成本大幅降低、熱導(dǎo)率高、機(jī)械穩(wěn)定性高、對(duì)環(huán)境磁場(chǎng)敏感度低。該技術(shù)還允許將超導(dǎo)材料表面設(shè)計(jì)（如多層膜技術(shù)）與加速器及冷卻系統(tǒng)分離，為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了更大空間。

高功率脈沖磁控濺射技術(shù)因其等離子體密度高、峰值功率密度大、基體電流密度高、靶材粒子離化率高等特點(diǎn)，在制備超導(dǎo)高頻腔薄膜方面極具潛力。歐洲核子研究中心（CERN）開(kāi)創(chuàng)的銅腔鍍鈮技術(shù)，通過(guò)在銅腔內(nèi)表面磁控濺射數(shù)微米厚的鈮薄膜，顯著降低了建造和使用成本（≥90%），同時(shí)提升了品質(zhì)因數(shù)。然而，針對(duì)體積小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜（包含束管和橢球腔部分）且表面曲率變化大的1.3 GHz超導(dǎo)高頻腔，整體鍍膜面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：薄膜厚度均勻性難以控制、斜角生長(zhǎng)時(shí)的陰影效應(yīng)導(dǎo)致缺陷增多，以及薄膜與銅基底結(jié)合力不足等。這使得超導(dǎo)鈮-銅加速腔的薄膜濺射工藝成為國(guó)內(nèi)外加速器裝置領(lǐng)域的攻關(guān)重點(diǎn)。

在上?？萍即髮W(xué)“雙一流”材料學(xué)科項(xiàng)目支持下，拓?fù)湮锢韺?shí)驗(yàn)室與大科學(xué)中心聯(lián)合團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)三年攻關(guān)，成功自主研發(fā)了高能脈沖磁控濺射-反濺射裝置（HiPIMRS，圖1），并利用該裝置制備出1.3 GHz超導(dǎo)鈮-銅加速腔。團(tuán)隊(duì)的核心創(chuàng)新在于開(kāi)發(fā)了原位等離子清洗技術(shù)，有效解決了銅腔表面預(yù)處理過(guò)程中的退化和氧化難題。該技術(shù)結(jié)合優(yōu)化的原位等離子清洗工藝，實(shí)現(xiàn)了原子級(jí)平整且無(wú)氧化物的Nb/Cu界面，顯著增強(qiáng)了鈮膜與銅腔基底的結(jié)合強(qiáng)度這一關(guān)鍵性能指標(biāo)。所制備的鈮薄膜表面平整（粗糙度Ra < 20 nm），晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)（110）擇優(yōu)取向。電學(xué)測(cè)量證實(shí)，整個(gè)腔體內(nèi)鈮薄膜的超導(dǎo)臨界溫度均勻且高達(dá)8.7 K，薄膜的超導(dǎo)性能優(yōu)異。此項(xiàng)技術(shù)的成功研發(fā)為提升超導(dǎo)加速腔的綜合性能提供了突破性解決方案?；诖思夹g(shù)，團(tuán)隊(duì)正穩(wěn)步推進(jìn)1.3GHz 9-cell超導(dǎo)鈮-銅加速腔的研發(fā)工作（圖2）。

圖1. (a) HiPIMRS裝置。(b) 銅腔內(nèi)部高能脈沖磁控濺射工作示意圖。 (c)1.3GHz銅腔濺射前后外觀(guān)對(duì)比，下圖為放置半年后的照片。

圖2. 面向1.3GHz特斯拉型超導(dǎo)鈮-銅腔研發(fā)的下一代HiPIMRS裝置及其9-cell實(shí)驗(yàn)腔。

相關(guān)研究成果近日發(fā)表于儀器科學(xué)領(lǐng)域期刊Review of Scientific Instruments。同時(shí)，圍繞該技術(shù)已授權(quán)和申請(qǐng)三項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利（專(zhuān)利號(hào)：CN 119663206 B、CN119663207A、CN120006210A）。該研究由上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院拓?fù)湮锢韺?shí)驗(yàn)室與大科學(xué)中心合作完成。李軍課題組博士后董鵬、博士生王艷江、碩士生肖建軍為共同第一作者，大科學(xué)中心陳照熙副研究員、柳學(xué)榕教授、物質(zhì)學(xué)院拓?fù)湮锢韺?shí)驗(yàn)室李軍教授為共同通訊作者，研究工作得到硬X射線(xiàn)自由電子激光項(xiàng)目組王東教授、陳錦芳教授、上海科技大學(xué)陳宇林教授以及劉志教授的大力支持。

論文標(biāo)題：High-power impulse magnetron re-sputtering/sputtering apparatus for Nb–Cu 1.3 GHz RF cavities

論文鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0287381