新一代加速器真空室結(jié)構(gòu)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(qiáng)、高亮度和長壽命粒子加速器的發(fā)展，對(duì)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(diǎn)，亟待解決。作者在國家自然科學(xué)基金的支持下，探索了新一代加速器真空室結(jié)構(gòu)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(nèi)容是:
　　1.二次電子產(chǎn)額是新一代加速器真空室結(jié)構(gòu)材

2、料的重要指標(biāo)，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(nèi)首臺(tái)高精度多功能高效率二次電子特性參數(shù)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(dǎo)體與絕緣體材料的二次電子產(chǎn)額。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明該儀器的測試功能和測試精度在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平，和國際上一些著名實(shí)驗(yàn)室的測試結(jié)果比對(duì)和對(duì)比表明我們的測試儀具有較高的測試精度和準(zhǔn)確度。
　　2.在國內(nèi)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(chǎn)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(guān)鍵制備工藝參數(shù)和薄膜的二次電子發(fā)射特性，其最低二次電子產(chǎn)額可降至1.38。首次研究了鍍膜參數(shù)對(duì)TiZrV-Pd和TiZrV薄膜二次電子產(chǎn)額的影響。
　　3.作者在國內(nèi)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(duì)輝光放電中鍍膜裝置內(nèi)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(shè)計(jì)、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(shí)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(jīng)驗(yàn)公式，在國內(nèi)首先對(duì)陶瓷管道內(nèi)表面磁控濺射鍍膜過程中TiZrV薄膜和Pd薄膜的鍍膜速率進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明:在圓柱型管道磁控濺射鍍膜過程中

5、，對(duì)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(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果，找到更為接近實(shí)驗(yàn)值的半經(jīng)驗(yàn)鍍膜速率計(jì)算公式。
　　在新一代加速器真空方面所面臨的三個(gè)挑戰(zhàn)中，電子云問題是最為關(guān)鍵和核心的問題，因此，真空室結(jié)構(gòu)材料的二次電子產(chǎn)額特性也就成為研究真空室材料的重要內(nèi)容。目前主要的解決方案是研究加速器真空室相關(guān)材料的二次電子產(chǎn)額特性，尋找低二次電子產(chǎn)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(chǎn)額材料的制備、二

6、次電子特性、應(yīng)用潛力及應(yīng)用方案，主要研究內(nèi)容如下:
　　1.掌握了真空室管道材料表面沉積低二次電子產(chǎn)額TiZrV-Pd薄膜和TiN薄膜的制備工藝和相關(guān)特性，同時(shí)，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(chǎn)額的因素。
　　2.基于石墨烯的高遷移率、卓越的熱導(dǎo)率，作者研究了銅基石墨烯材料的二次電子產(chǎn)額特性，首次提出了具有低二次電子產(chǎn)額的銅基石墨烯

7、在新一代加速器中的應(yīng)用方案。
　　3.激光刻蝕材料表面技術(shù)采用原位處理的方式對(duì)樣品表面進(jìn)行加工，可以在大氣中對(duì)材料表面進(jìn)行處理以獲得二次電子產(chǎn)額低于1的無氧銅和不銹鋼樣品，其制備成本低，可重復(fù)性高且適用材料范圍廣泛，是目前獲得低二次電子產(chǎn)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(nèi)首先開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究和機(jī)理分析工作，研究了激光參數(shù)、暴露大氣等因素對(duì)激光刻蝕材料二次電子產(chǎn)額的影響，并對(duì)激光刻蝕材料表面技術(shù)所面臨的管道表面