真空室內表面鍍TiZrV抽氣層的性能研究
采用直流磁控反濺射法在不銹鋼真空管道內表面均勻鍍上一層TiZrV 薄膜。該薄膜經(jīng)過(guò)激活后具有抽氣效應,能夠使真空管道由原來(lái)的系統氣載轉變成為管道泵。該薄膜激活溫度很低,最低激活溫度為180 ℃。在經(jīng)過(guò)激活后,實(shí)驗裝置遠端的真空度與泵口真空度相同,因此壓力分布呈直線(xiàn)型。
在儲存類(lèi)加速器真空系統中,真空室的結構多為細長(cháng)管道。由于真空室放置在多個(gè)磁元件的間隙中,常規的配泵方法多采用集中式 ,即根據系統氣載的大小,每間隔一段距離配置一臺真空泵。但是由于真空泵抽速受到真空管道流導的限制,距離真空泵的位置越遠,該處的抽速損失越大,真空度也就相對越低。集中式配泵系統的壓力分布呈拋物線(xiàn)型,而壓力分布梯度的存在,將對束流的壽命及品質(zhì)產(chǎn)生較大影響。
在減小壓力分布梯度的研究方面,國際上已經(jīng)做了大量的工作,如在真空室中放置分布式濺射離子泵、分布式非蒸發(fā)吸氣帶等,但這些方法使用局限性大,真空室結構非常復雜,造價(jià)很高。近年來(lái)歐洲核子中心(CERN) 創(chuàng )造性地提出了能在較低溫度下激活的管道泵技術(shù),通過(guò)直流磁控濺射反應法將原本是系統氣載的真空管道經(jīng)過(guò)鍍抽氣層工藝處理轉變成了真空泵,使管道內部處處具有均勻抽速,從而使細長(cháng)管道類(lèi)真空系統的壓力分布克服了集中式配泵壓力分布梯度大的不足。管道泵技術(shù)最大的難點(diǎn)在于傳統的抽氣層材料激活需要較高的溫度,所謂激活就是通過(guò)烘烤使吸氣劑材料對氣體分子具有抽速。如ZrAl 吸氣劑泵 ,作為非蒸發(fā)型吸氣劑泵(NEG PUMP) 典型的一種真空泵種,在超高真空系統中經(jīng)常使用。它使用的吸氣劑材料為ZrAl 合金,在激活后對活性氣體尤其是對氫具有很高的抽氣能力,但不能抽除惰性氣體,因此與能夠抽除惰性氣體的濺射離子泵聯(lián)合使用可以使系統達到超高真空。但是ZrAl 吸氣劑材料的激活溫度一般在400 ℃以上,而加速器真空管道受到機械或者物理要求的限制,烘烤溫度不能過(guò)高,因此ZrAl 合金不適合作為加速器真空管道的吸氣劑材料。CERN 的研究人員經(jīng)過(guò)多年實(shí)驗,選擇TiZrV 合金材料作為非蒸發(fā)吸氣劑 ,該合金材料吸氣劑最大的優(yōu)點(diǎn)在于激活溫度僅在200 ℃以下,因此可以廣泛的應用于加速器真空系統中。
1、實(shí)驗裝置
1.1、鍍膜裝置
一根<80mm ×1800mm 的真空管道被選為實(shí)驗鍍膜管道。直流磁控濺射鍍膜系統的示意圖如圖1所示。
系統右側為被鍍管道,管道中心為陰極靶材,由3 根<2mm 的Ti絲、Zr絲、V絲均勻擰在一起。工作時(shí)對陰極靶材加負偏壓以提供鍍膜用電場(chǎng)。管道外是同軸的<500mm ×2000mm 空心Al 筒,Al 筒外部均勻纏繞(5.2mm ×1.7mm 的銅線(xiàn)圈,Al 筒和線(xiàn)圈之間用Kapton 材料絕緣。工作時(shí)對線(xiàn)圈加直流電來(lái)給鍍膜區域提供正交于電場(chǎng)的磁場(chǎng),設計最高磁場(chǎng)強度為2.6 ×10 -2 T。圖1 左側部分為放電氣體壓力維持部分,由送氣系統、排氣系統、真空測量系統組成。維持鍍膜時(shí)的氣體流量用金屬針閥控制。放電氣體可以用Ar 也可以用Kr 。但由于碰撞陰極的放電氣體從陰極彈回時(shí)可能保存大量的動(dòng)能碎片,并可能進(jìn)入正在生成的薄膜中,使惰性氣體含量增加而影響系統極限真空的獲得。實(shí)驗和測試表明,用較重的氣體進(jìn)行放電可以大大減小進(jìn)入膜中的惰性氣體含量。如用Ar 在Ti-Zr-V 膜中的含量可達3500ppm ,用Kr 可以降低2 個(gè)數量級,因此我們鍍膜時(shí)采用Kr作為放電氣體 。排氣系統選用德國Leybold 公司的600L·s - 1渦輪分子泵機組,壓力測量則選用PT90全量程復合規管(測量范圍:1 ×10 - 7 Pa～105Pa) 。
圖1 鍍膜系統示意圖 圖2 壓力分布測試系統
1.2、壓力分布梯度測試裝置
壓力分布梯度測試裝置由排氣系統和鍍膜管道兩部分組成,結構如圖2 所示。
排氣系統主泵選用400L ·s - 1 濺射離子泵和2000L·s - 1鈦升華泵。P1 和P2 分別代表泵口和最遠端的真空度,均選用測量下限為2 ×10 - 10 Pa 的IE514 分離規測量。
2、實(shí)驗方法
2.1、鍍膜方法
開(kāi)啟分子泵機組,檢漏。檢漏完成后將裝置烘烤至180 ℃,溫升為30 ℃·h - 1 ,目的是將被鍍管道表面的H2O 排走 ,這樣可以增大管道內表面的鍍膜附著(zhù)系數。180 ℃烘烤24h 后將溫度降至鍍膜時(shí)的
工作溫度120 ℃,向系統內送入純度為99.999 %Kr氣,壓力保持在5 ×10 - 1 Pa ;對陰極加- 500V 的直流電壓,真空管道接地;螺線(xiàn)管電流加至140A ,相對應的磁場(chǎng)強度為1.5 ×10 - 2 T ,此時(shí)通過(guò)觀(guān)察窗可看到輝光放電(圖3) 。
圖3 放電狀況
通過(guò)調節磁場(chǎng)、電場(chǎng)及Kr 氣壓強可以改變輝光放電電流,即改變鍍膜速率。在上述參數設置下,相應的放電電流為0.5A ,鍍膜周期為10h。
2.2、壓力分布梯度測試方法
首先測試系統的本底壓力分布梯度,即管道未鍍吸氣劑材料前的壓力分布梯度;然后在鍍膜完成后再次進(jìn)行壓力分布梯度測試,兩次測試的條件應該完全一致以減小實(shí)驗誤差。本次實(shí)驗的烘烤溫度定為180 ℃,烘烤周期為24h ,這樣可以使吸氣劑材料充分激活。停止烘烤后48h ,記錄P1 和P2 數據,使用計算壓力分布梯度的軟件VAKTRAK 擬和曲線(xiàn),對鍍膜前后的數據進(jìn)行比較。
