4-25  单畴钇钡铜氧块材高Q值谐振腔研究

沈旭明  王家素  宋宏海  郑  郡

 　　高性能滤波器、低相位噪声振荡器以及加速器研究的需要促进人们对更高Q值微波谐振腔的探索。X波段铜微波谐振腔在室温下的Q值只能约10⁴；低温超导铌腔在X波段和4.2 K温度时的Q值为10⁶~10⁷，在X波段和1.25 K温度时Q值约10¹¹，用高Q值(10⁹)低温超导微波谐振腔在X波段可以实现了10^-17频率稳定度。但由于需要工作在液氦温区而限制了它们的应用：因为液氦非常昂贵，并且液氦的保存系统机构复杂；在1.25 K温度下的超流特性和极高的渗透性，对低温腔的真空密封提出了非常严格的要求。

国际上很多人在研究通过用不同的材料和方法来代替现在的纯铌微波谐振腔，如在铜的表面溅射铌膜或在铜腔内表面溅射生成Ni₃Ge层。高温超导体发展非常迅速，块材的微波表面电阻也在不断降低，人们采用厚膜技术、薄膜以及改变块材的生成方法来提高腔体的Q值。用高温超导材料做微波谐振腔与低温超导腔相比有它很明显的优势：可以通过液氮冷却即实现超导，成本低廉，对3 cm及其以上频段，可用低温制冷机来实现制冷，制冷温度可以稳定在20 K，这远低于1/2超导转变温度，谐振腔的品质因数将比在液氮温区有明显的提高 。

用二流体模型和BCS理论对高温超导体的微波表面电阻进行分析，找出影响表面电阻的因数。单畴YBCO块材在常温下属陶瓷材料，硬度很高，且易脆，导电率很低，用块材加工腔体时，由于其层状结构，很容易纵向开裂，加工困难。实验中改用端面代替法来测量YBCO块材的表面电阻。对于整个腔体的情况，可以通过公式计算得出。用G-M制冷机对需要测试的腔体进行冷却，在没有负载(测试腔体)的情况下制冷机最低温度可以达到14 K，而有测试腔的情况下最低达到了48 K，同时在制冷机的二级冷头外缠绕康铜丝，通过LAKESHORE公司的330-33温度控制器对测试腔的温度进行PID控制，从50~90 K (93 K以后YBCO块材失超了)每5 K测量腔体的Q值。在50 K时大于5 000，这个结果是在一块高温超导体块材端壁下获得的，若整个空腔为高温超导体块材，则有6~8倍的性能改善，可以达到4´10⁴。通过图1趋势可以看出，当温度在20 K时，Q值会更高，大于7´10⁴。在本实验中，当整个腔体都为无氧铜材料时，腔体的有载Q_L仅为1.0´10³，可见用高温超材料做微波谐振腔比无氧铜性能上有明显的提高。