【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于加速器物理、超导高频，涉及一种超导腔缓冲化学抛光的酸液流速评估及工装改进方法。
技术介绍
1、超导加速腔是超导加速器的核心部件，超导腔的性能直接决定了超导加速器电子束的品质。而超导腔的表面后处理又是决定超导腔性能的关键因素之一。改善超导腔的内表面质量，将为超导腔性能改善做出重大贡献。
2、通常，超导腔由高纯铌制成，其性能对腔内表面质量极其敏感。在超导腔的制造过程中，铌才经过轧制、冲压、机加工和电子束焊接等操作后，其表面会形成损伤层；此外，铌材和空气、水、油等物质接触，也会形成污染物；超导腔制造完成后，内表面可能存在裂纹、划痕、凹坑、嵌入物、氧化物和吸附的杂质颗粒等。这些缺陷在高频电磁场下会引起热不稳定性、场致发射、二次电子倍增、残余电阻增加等破坏机制，严重影响了超导腔性能的提高。缓冲化学抛光是一种便宜、简单、稳定、有效和成熟的处理技术，并且广泛应用于世界各大实验室。超导腔在制造完成后，通过缓冲化学抛光，去除铌材表面150～200μm,可以消除铌材表面的损伤层，解决上述问题。本专利技术就是针对超导腔的缓冲化学抛光提出的方法改进。
3、缓冲化学抛光方法是国际上常用的一种超导腔表面抛光方法，其原理是利用氢氟酸(hf)、硝酸(hno3)、磷酸(h3po4)按照一定体积比例混合，然后混合酸液与铌反应，对铌腔内表面进行化学蚀刻。具体的化学反应过程为：氢氟酸将铌材表面稳定的nb2o5去除，形成水溶性nbf5，溶解在酸混合物中；铌具有很强的抗化学腐蚀的能力，硝酸起氧化作用，氧化新露出的铌生成稳定的nb2o5
4、nb2o5+10hf→2nbf5+5h2o
5、2nb+10hno3→10no2+5h+nb2o5
6、
7、酸洗过程中，为了避免反应产生的氢渗入被腐蚀的晶格边界，一般要严格控制三种酸液的比例，优化酸液的循环路径，同时控制反应时腔温不能超过15℃。
8、传统的缓冲化学抛光方法如图1所示。
9、(1)检查超导腔内外表面，需要保持表面整洁、光滑、平整，如果腔内表面有明显的缺陷，则需要机械打磨去除。
10、(2)开展酸洗工装的设计和制作。采用聚偏氟乙烯(pvdf)和可溶性聚四氟乙烯(pfa)，连接酸洗设备和超导腔。根据酸洗工程师的经验，设计酸洗工装、规划酸液在腔内的循环路径及流速分配。酸洗工装的设计质量对酸洗工程师的经验依赖程度很高。
11、(3)开展超导腔的缓冲化学抛光，在此过程中，设置酸液入口流速为18l/min，酸温要控制使其低于15℃。
12、(4)评估超导腔酸洗效果，如果超导腔壁厚的蚀刻量大于150um，同时超导腔内表面光滑，无气室、鼓包和沟槽状缺陷，则酸洗结束，否则返回至超导腔准备阶段。
13、当前的酸洗方法存在以下的缺点。
14、(1)目前所采用的酸洗方法，酸洗工装的设计质量很大程度上依赖于酸洗工程师的经验。酸洗效果与酸洗工程师的设计能力有非常大的关系。
15、(2)仅根据设计者的经验设计超导腔的酸洗工装，规划酸液在腔内的循环路径，很可能导致酸液在腔内循环路径不合理的问题。如果酸液在腔内的循环路径不合理，酸液和超导腔铌材反应会产生大量的氢气，氢气如不能及时被循环的酸液导出，累计的氢则会渗入铌的晶格内，这将降低腔的性能。同时，累积的气体会阻碍酸液和铌的反应，该位置得不到有效的刻蚀清洗，可能导致超导腔表面污染层不能完全去除，影响超导腔的测试性能。
16、(3)没有对酸洗工装有效性的评判依据，没有甄别风险位置的评判方法，在酸洗过程中可能存在酸液流动路径不合理、或腔壁上局部酸液流速突降等现象，产生气室、麻点、鼓包、沟槽状条纹等酸洗缺陷，增加超导腔处理的时间成本和经济成本。同时，酸洗缺陷需要通过机械抛光的方法被打磨掉，如果处理不当，可能导致超导腔壁厚局部机械打磨过多、损伤腔壁、机械性能变差、微波性能下降等危害，提高超导腔研制的风险。
17、(4)对于非椭球型超导腔，尤其是结构复杂的超导腔，因为没有腔内的酸液流速监测手段，壁厚的蚀刻不均匀现象比较严重。为了避免局部蚀刻量不足，则需要延长酸洗时间，可能导致超导腔局部内表面的粗糙度较大、酸洗后频率偏移与预期不符、及酸洗后机械性能变化预估难度增大等问题。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种超导腔缓冲化学抛光的酸液流速评估及工装改进方法。本专利技术适用于所有需要缓冲化学抛光的超导腔，特别是结构复杂的超导腔型。在酸洗工装设计阶段，对酸洗工艺进行评估，通过模型创建、有限元仿真、结果分析等，计算得到超导腔内酸液的流速分布。本专利技术提出了酸洗缺陷风险点的评估判据，预判超导腔产生酸洗缺陷的可能，定位可能出现缺陷的位置。根据需要，指导酸洗工装的设计和改进，降低酸洗后内表面产生麻点、沟槽、波纹等缺陷的风险，提高超导腔酸洗后的内表面质量，节约了超导腔的酸洗成本和时间成本。同时，采用本专利技术的方法，优化了超导腔内酸液流速的均匀性，缓解非椭球型超导腔、特别是结构复杂的超导腔壁厚蚀刻的不均匀性问题，提高超导腔内表面质量，避免因蚀刻量过多可能导致的局部内表面粗糙度较大、酸洗后频率偏移与预期不符、及酸洗后机械性能变化预估难度增大等问题。
2、本申请所涉及的超导腔缓冲化学抛光的酸液流速评估及工装改进方法是为了实现国家重大科技基础设施项目高能同步辐射光源工程的储存环高频系统相关的超导腔设备的高性能要求开发而成的，并且可以广泛应用于其他超导腔中，尤其适用于低频、结构复杂、采用缓冲化学抛光处理的超导腔。
3、本专利技术首次提出将模拟软件工具应用到超导腔酸洗在仿真中，根据酸洗设备和以往的超导腔酸洗经验总结出了针对超导腔酸洗的特殊应用场景的仿真中所需设置的一系列超导腔酸洗参数，这对于今后的超导腔酸洗具有指导意义，是本专利技术的保护点之一。建立风险点评判依据，根据判据评估酸洗工装是否有效，预判可能出现酸洗缺陷的可能性和风险位置，根据需要、优化酸洗工装，同样具有保护意义，是本专利技术的保护点之一。
4、本专利技术的技术方案为：
5、一种超导腔缓冲化学抛光的酸液流速评估及工装改进方法，其步骤包括：
6、1)对待酸洗的目标超导腔进行检查，如果不符合设定要求，则对所述目标超导腔进行处理使其符合所述设定要求；
7、2)根据所述目标超导腔的结构设计对应的酸洗工装并分配酸液在酸洗工装各出入口的流量和流速；
8、3)对所述目标超导腔、酸洗工装进行建模，得到目标超导腔模型、酸洗工装模型；将所述目标超导腔模型、酸洗工装模型及连接管路模型通过仿真软件进行内部填充，生成得到酸液容积模型；
9、4)利用仿真软件对所述酸液容积模型进行仿真分析：
10、41)设置酸液的动态粘度、密度和比热容，铌与酸液的反应热量，酸液的温度，酸的入口流量，腔冷却水温度和流量；然本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种超导腔缓冲化学抛光的酸液流速评估及工装改进方法，其步骤包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当根据风险点的位置修改酸洗工装结构时，在所述酸洗工装中设置一导流装置，用于伸入所述目标超导腔内提高所述目标超导腔内结构突变位置的酸液流速；步骤43)中，通过修改所述导流装置的结构提高所述风险点位置的酸液流速。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过在所述导流装置上增加导流柱、圆盘或者增加导流孔，提高所述风险点位置的酸液流速。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果监测点i的流速比周围流速低2个数量级，则将该监测点i标记为风险点。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酸液的动态粘度、密度和比热容分别为0.022Ns/m2、1545Kg/m3和2090J/kg/K；铌与酸液的反应热量为1200W/m2；酸的温度为15℃，酸的入口流量为＜18L/min；腔冷却水温度和流量分别为6℃和18L/min。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤5)中，对所述目标超导腔进行缓冲化学抛光过程中
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述目标超导腔的腔体端口数量、端口的相对位置，确定所述酸洗工装的酸液出入端口及各端口的管径。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用聚偏氟乙烯和可溶性聚四氟乙烯制作酸洗工装，以及酸洗工装与目标超导腔之间的连接管路。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定要求为目标超导腔内表面整洁、光滑、平整。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用三维绘图软件solidworks对所述目标超导腔、酸洗工装进行建模，得到目标超导腔模型、酸洗工装模型；将所述目标超导腔模型、酸洗工装模型通过模拟连接管路进行连接得到酸液容积模型。
...【技术特征摘要】
1.一种超导腔缓冲化学抛光的酸液流速评估及工装改进方法，其步骤包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当根据风险点的位置修改酸洗工装结构时，在所述酸洗工装中设置一导流装置，用于伸入所述目标超导腔内提高所述目标超导腔内结构突变位置的酸液流速；步骤43)中，通过修改所述导流装置的结构提高所述风险点位置的酸液流速。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过在所述导流装置上增加导流柱、圆盘或者增加导流孔，提高所述风险点位置的酸液流速。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果监测点i的流速比周围流速低2个数量级，则将该监测点i标记为风险点。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酸液的动态粘度、密度和比热容分别为0.022ns/m2、1545kg/m3和2090j/kg/k；铌与酸液的反应热量为1200w/m2；酸的温度为15℃，酸的入口流量为＜18l/min；...
【专利技术属性】
技术研发人员：张新颖，戴劲，郭琳，张沛，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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