真空室内壁镀TiZrV吸气剂薄膜的工艺及薄膜相关性能的研究

论文摘要

为了减少残余气体散射所导致的束流损失,维持较长的束流寿命,加速器储存环真空室中需要清洁的超高真空环境。储存环中超高真空的获得和维持主要是通过离散分布的真空泵（如溅射离子泵和钛升华泵）来实现,但同步辐射光和高能粒子轰击真空室内壁引起表面放气,造成较高的动态气载,同时由于真空室流导的限制,气压在真空室内部的分布存在一定的纵向梯度,即真空泵附近真空较好,距真空泵较远处真空较差。在真空室内壁镀上吸气剂薄膜可以实现分布式抽气,有效提高真空度并降低纵向梯度,因其优异的真空性能已在加速器领域得到应用。国内对加速器真空室内壁镀非蒸散型吸气剂（NEG）薄膜的研究较少,开展也较晚。基于NEG薄膜独特的真空特性以及在加速器领域良好的应用前景,我们开展了对管道真空室的内壁进行镀TiZrV薄膜的工艺以及薄膜相关性能的研究,本论文即为对本工作的介绍,其内容如下。根据细长管道镀膜的特点,设计了用于对加速器管道内壁镀TiZrV薄膜的磁控溅射镀膜系统。研究了镀膜系统的放电特性,通过调整镀膜参数可以获得满足要求的薄膜。采用扫描电子显微镜、X射线光电子能谱和X射线衍射仪等对TiZrV薄膜进行了相关的分析测试。此外,对TiZrV薄膜的相关真空性能进行了研究,包括二次电子产额（SEY）、光致解吸产额（PSD）和吸气性能。对于正电子、质子和重离子加速器,真空室内壁较高的SEY易导致电子云效应的形成,严重影响束流品质和加速器的正常运行。国外相关研究表明TiZrV具有较低的SEY,可将其用于电子云的抑制,因此对TiZrV薄膜的二次电子产额进行了测量。测试结果表明,对TiZrV薄膜在200下加热2小时后其SEY有所下降,峰值由2.03降到1.55,此值高于国外的相关测量结果,这可能是加热和电子轰击过程中样品和样品架的表面放气对薄膜表面的污染造成的。为检验镀TiZrV膜在降低材料PSD方面的效果,在合肥光源储存环机器研究光束线的PSD实验站上,对镀膜前后不锈钢管道的PSD进行了测试。测试结果表明,不锈钢和TiZrV薄膜对各气体的PSD产额初始值均在10-410-3量级,在200加热24小时后,则分别下降到10-510-4和10-610-5量级。镀TiZrV薄膜可以降低不锈钢的PSD效应,这对于加速器的稳定运行是非常有利的。吸气能力是衡量吸气剂性能的一个重要指标,因此对TiZrV薄膜的吸气性能进行了研究。选取一般超高真空系统中的主要残余气体H2和CO作为测试气体,在不同温度和时间下对镀膜管道进行加热。测量结果表明,TiZrV薄膜对CO和H2有较好的吸气效果,在200°C下加热24小时后对其抽速分别为0.23 L·s-1·cm-2和0.02 L·s-1·cm-2,吸气容量分别为6.8×10-5Pa·L·cm-2和6.6×10-2Pa·L·cm-2。相同激活条件下TiZrV对CO的抽速比H2高一个量级,吸气容量则较之低两个量级。吸气剂的激活效果与加热温度和时间密切相关,随着加热温度的提高和时间的延长而增强,在实际应用中可通过适当提高激活温度和延长激活时间以恢复最佳的吸气能力。通过本项工作,基本掌握了直流磁控溅射法在加速器管道内壁镀TiZrV吸气剂薄膜的工艺,积累了一定的工程经验,并对TiZrV薄膜的相关性能有了系统的了解。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 粒子加速器简介
• 1.1.1 粒子加速器的发展概况
• 1.1.2 粒子加速器的组成
• 1.1.3 粒子加速器真空系统的特点
• 1.2 分布式抽气
• 1.2.1 分布式离子泵
• 1.2.2 NEG 条带
• 1.2.3 NEG 薄膜
• 1.2.4 低温表面
• 1.3 NEG 材料的应用
• 1.4 课题意义和论文内容
• 第二章 相关理论和介绍
• 2.1 非蒸散型吸气剂简介
• 2.1.1 吸气剂的分类
• 2.1.2 吸气剂的吸气过程
• 2.1.3 NEG 的激活
• 2.2 镀膜方法
• 2.2.1 真空镀膜
• 2.2.2 气体放电
• 2.2.3 磁控溅射镀膜
• 2.3 薄膜的微观结构
• 2.4 薄膜的分析与表征
• 2.4.1 组分表征
• 2.4.2 薄膜形貌和结构
• 第三章 真空室内壁镀 TiZrV 薄膜及其结果分析
• 3.1 NEG 薄膜材料的选择
• 3.2 镀膜装置
• 3.2.1 镀膜方式的选择
• 3.2.2 镀膜装置的组成
• 3.2.3 镀膜装置的磁铁设计
• 3.2.4 镀膜装置的放电特性
• 3.3 实验过程
• 3.3.1 实验参数的确定
• 3.3.2 实验过程
• 3.4 实验结果和分析
• 3.4.1 直流溅射与磁控溅射的对比
• 3.4.2 薄膜成分
• 3.4.3 薄膜形貌
• 3.4.4 薄膜的微观结构
• 3.4.5 镀膜速率的计算
• 3.5 合肥光源波荡器真空室的镀膜处理
• 3.6 小结
• 第四章 TiZrV 的二次电子产额研究
• 4.1 背景介绍
• 4.1.1 电子云效应的抑制
• 4.1.2 二次电子发射
• 4.2 测量原理和方法
• 4.3 二次电子产额的测量
• 4.3.1 测量装置
• 4.3.2 测量过程
• 4.3.3 测量结果和分析
• 4.3.4 装置所需的改进
• 4.4 小结
• 第五章 TiZrV 的光致解吸研究
• 5.1 常用测量方法
• 5.1.1 三规法
• 5.1.2 小孔流导法
• 5.2 PSD 产额的测量和计算
• 5.2.1 测量系统
• 5.2.2 测试过程
• 5.2.3 光子通量的计算
• 5.3 测量结果和分析
• 5.4 小结
• 第六章 TiZrV 薄膜的吸气性能研究
• 6.1 吸气性能的测量方法
• 6.1.1 吸气剂样品吸气性能的测量
• 6.1.2 镀膜管道吸气性能的测量
• 6.2 TiZrV 吸气剂吸气性能的测量
• 6.2.1 测量装置
• 6.2.2 测试气体的选择
• 6.2.3 抽速和吸气容量的计算
• 6.2.4 烘烤除气与吸气剂的激活
• 6.3 实验结果和分析
• 6.4 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文