新一代加速器真空室結構材料表面處理及二次電子特性研究.pdf

1、新一代高能量、高流強、高亮度和長壽命粒子加速器的發(fā)展，對真空的要求已從超高真空向極高真空和超低溫等極端條件跨越，所面臨的挑戰(zhàn)主要是:高真空梯度、電子云問題和高密集度，這些問題也成為了新一代加速器真空系統(tǒng)建造的難點，亟待解決。作者在國家自然科學基金的支持下，探索了新一代加速器真空室結構材料的表面處理、制備工藝、可控沉積和材料的表面成分、表面形貌及二次電子發(fā)射特性等，論文主要研究內容是:
　　1.二次電子產額是新一代加速器真空室結構材

2、料的重要指標，目前沒有專門的測試儀器和成熟的測試方法，我們自主研制了國內首臺高精度多功能高效率二次電子特性參數測試儀，該儀器可以測試不同入射角度(10°～90°)、不同溫區(qū)(750K～20K)、和不同入射劑量下導體與絕緣體材料的二次電子產額。實驗測試結果表明該儀器的測試功能和測試精度在國內處于領先水平，和國際上一些著名實驗室的測試結果比對和對比表明我們的測試儀具有較高的測試精度和準確度。
　　2.在國內首先研究了適用于新一代加速器

3、真空室的低二次電子產額、長壽命和良好吸氣特性的非蒸散型吸氣劑TiZrV-Pd薄膜的關鍵制備工藝參數和薄膜的二次電子發(fā)射特性，其最低二次電子產額可降至1.38。首次研究了鍍膜參數對TiZrV-Pd和TiZrV薄膜二次電子產額的影響。
　　3.作者在國內首先提出了采用CST軟件來模擬跑道型陶瓷真空室磁控濺射鍍膜裝置中不同尺寸的Ti陰極對輝光放電中鍍膜裝置內部電場分布的影響，從而優(yōu)化了異型截面真空室鍍膜裝置設計、Ti陰極尺寸和安裝位置。

4、該模擬方法極大提高了TiN薄膜的均勻性，解決了異型截面陶瓷管道薄膜均勻性差的難題，降低了鍍膜成本，節(jié)約了時間和能源，提高了鍍膜效率。此外，為了提高陶瓷管道的鍍膜速率，將跑道型陶瓷管道鍍膜裝置的陰極Ti絲換成Ti板，鍍膜速率較之前增加了近40倍。
　　4.基于Matsunami模型和YT模型的半經驗公式，在國內首先對陶瓷管道內表面磁控濺射鍍膜過程中TiZrV薄膜和Pd薄膜的鍍膜速率進行了計算，結果表明:在圓柱型管道磁控濺射鍍膜過程中

5、，對于單一金屬薄膜而言，沉積速率C可通過濺射深度D來估算。通過對比實驗結果和模擬結果，找到更為接近實驗值的半經驗鍍膜速率計算公式。
　　在新一代加速器真空方面所面臨的三個挑戰(zhàn)中，電子云問題是最為關鍵和核心的問題，因此，真空室結構材料的二次電子產額特性也就成為研究真空室材料的重要內容。目前主要的解決方案是研究加速器真空室相關材料的二次電子產額特性，尋找低二次電子產額的新材料。以此為中心，作者探討了多種新的低二次電子產額材料的制備、二

6、次電子特性、應用潛力及應用方案，主要研究內容如下:
　　1.掌握了真空室管道材料表面沉積低二次電子產額TiZrV-Pd薄膜和TiN薄膜的制備工藝和相關特性，同時，首次采用Monte Carol法模擬了TiZrV-Pd薄膜中二次電子發(fā)射過程，定量分析了影響TiZrV-Pd薄膜二次電子發(fā)射產額的因素。
　　2.基于石墨烯的高遷移率、卓越的熱導率，作者研究了銅基石墨烯材料的二次電子產額特性，首次提出了具有低二次電子產額的銅基石墨烯

7、在新一代加速器中的應用方案。
　　3.激光刻蝕材料表面技術采用原位處理的方式對樣品表面進行加工，可以在大氣中對材料表面進行處理以獲得二次電子產額低于1的無氧銅和不銹鋼樣品，其制備成本低，可重復性高且適用材料范圍廣泛，是目前獲得低二次電子產額材料的最佳方案，也是目前國際上的研究前沿。作者在國內首先開展了相關實驗研究和機理分析工作，研究了激光參數、暴露大氣等因素對激光刻蝕材料二次電子產額的影響，并對激光刻蝕材料表面技術所面臨的管道表面