加速器不锈钢管道真空室镀TiN薄膜系统的研究及实验

摘要

获得性能优越的束流是加速器发展的重要目标。作为束流及其周围真空环境的承载体，加速器真空室材料性能与束流性能密切相关。因此，改善和提高加速器真空室材料性能，对于保障加速器的正常运行和促进加速器的进一步发展具有重要意义。对加速器真空室内壁进行镀膜处理是改善真空室材料性能的主要方法之一。本论文主要论述了针对不锈钢管道真空室进行的内壁镀TiN薄膜实验以及镀膜真空室的相关性能测试实验。 设计了用于对加速器不锈钢管道真空室进行内壁镀TiN薄膜的镀膜系统。通过多次镀膜实验，获得了优化的镀膜参数，使系统能够稳定运行，并可以在较短时间内实现对真空室进行符合要求的镀膜处理。在此基础上，针对该镀膜装置，论证了磁控溅射镀膜的实验方案，设计了用于磁控溅射镀膜实验的电磁铁，并进行初步磁控溅射镀膜实验，为深入研究磁控溅射镀膜奠定了基础。 为了验证该处理方法的有效性，对真空室在镀膜前后分别进行了热出气率测试实验。实验中，采用自动烘烤系统，并对真空计进行编程，实现数据的定时自动保存，大大减少了测试中的人工操作次数，以得到准确可靠的结果。测试结果表明，镀TiN薄膜处理对减小不锈钢材料的出气率有积极的作用。 此外，在NSRL机器研究光束线的PSD实验站上，进行了不锈钢管道真空室镀膜前后的PSD测试对比实验，以检验镀膜处理在改善材料PSD性能方面的效果。与出气率测试实验类似，为了减小误差，得到相对可靠的数据，采用了同样的真空计编程程序，实现压强数据的定时保存。测试结果表明，不锈钢真空室在镀TiN薄膜处理后其PSD效应显著降低，这对于加速器的正常运行是非常有利的。 对于正电子、质子以及重离子加速器，具有较高二次电子产额的真空室会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。为了检验镀TiN薄膜处理方法在减小真空室材料二次电子产额方面的效果，在设计的二次电子产额测量装置上进行了镀膜小样品的二次电子产额测试。测试结果表明，镀TiN膜处理能够有效降低不锈钢材料的二次电子产额。 最后，对溅射镀膜过程进行了初步理论分析，并编写了该过程的模拟程序，进行了薄膜沉积速率与放电镀膜参数之间关系的分析计算，得到了一些结论。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景及意义

1.2课题研究现状

1.3论文内容及特点

第2章不锈钢管道真空室直流溅射反应镀膜系统装置设计

2.1镀膜方式选择

2.2直流溅射镀膜

2.2.1溅射

2.2.2辉光放电

2.2.3直流溅射镀膜原理

2.2.4反应溅射

2.3管道真空室镀膜装置

2.3.1管道真空室镀膜装置设计

2.3.2相关设计问题

2.4直流磁控溅射镀膜初步研究

2.4.1磁控溅射特点

2.4.2磁控溅射的物理机理及意义

2.4.3磁控溅射装置的设计思想

2.4.4磁铁的设计目标

2.4.5磁铁的设计参数及计算结果

2.4.6直流溅射与磁控溅射区别

第3章不锈钢管道真空室内壁镀TiN薄膜实验过程

3.1样品处理

3.2镀膜实验过程

3.3镀膜参数优化与选择

第4章镀膜结果分析

4.1常用的样品分析方法介绍

4.1.1样品成分检测

4.1.2样品厚度分析

4.2镀膜实验中不同参数条件下样品性能测试及结果分析

4.2.1基体温度与样品成分的关系

4.2.2放电气压的确定

4.2.3膜层厚度的确定

4.3最终镀膜参数确定

第5章镀膜管道真空室热出气率测试实验

5.1出气率测试原理

5.2出气率测试装置及测试流程

5.2.1测试装置及测试方法

5.2.2测试项目

5.3出气率测试一些相关问题

5.3.1制定严格的热出气率测试流程

5.3.2采用自动烘烤系统

5.3.3对真空计编程控制，实现数据定时自动保存

5.3.4保持环境温度一致

5.4不锈钢材料镀膜前后出气率测试结果

5.5小结

第6章镀膜管道真空室同步辐射光致解吸测试实验

6.1 PSD测试基本方法及理论

6.1.1 3点压强法

6.1.2小孔流导法

6.2 PSD测试装置介绍与数据处理

6.2.1 PSD测试装置介绍

6.2.2测试数据处理

6.3 PSD测试过程

6.4真空室镀膜前后PDF测试结果对比及讨论

6.4.1烘烤前阶段不锈钢真空室镀膜前后PSD测试结果对比

6.4.2烘烤后阶段不锈钢真空室镀膜前后PSD测试结果对比

6.4.3烘烤后经多次测试不锈钢真空室镀膜前后PSD测试结果对比

6.5小结

6.6进一步研究计划

第7章不锈钢镀膜样品二次电子产额测试实验

7.1材料的二次电子能谱分析

7.2真空室材料二次电子产额测试原理

7.3真空室材料二次电子产额测试装置介绍

7.3.1电子发射源及电子束引出

7.3.2二次电子收集与测量

7.4误差分析

7.5常用加速器真空室材料二次电子产额测量结果及分析

第8章直流溅射镀膜理论分析

8.1溅射产额计算

8.1.1依据P.Sigmund理论的溅射产额计算

8.1.2实际应用过程中的修正

8.2直流溅射模拟过程描述

8.2.1气体分子碰撞理论及碰撞截面的计算

8.2.2模拟粒子初始速度及位置的产生

8.2.3溅射原子位置及速度分布

8.2.4模拟过程及程序流程图

8.3利用模拟程序得到的相关计算结果

8.3.1沉积速率与结构的关系

8.3.2沉积速率与电压的关系

8.3.3沉积速率与气压的关系

8.4程序综合分析及小结

第9章结论

参考文献

致谢

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