陶瓷真空室表面处理机理及关键技术研究

粒子储存环陶瓷真空室表面处理机理研究以及沉积TiN课题是第三代同步辐射光源和散裂中子源实验室最为重要的实验研究课题。它涉及现代粒子储存环高真空和超高真空的获得，脉冲电场和交变磁场无损失通过以及同步辐射光解析率和材料二次电子产额是否满足加速器储存环物理要求以及机器稳定运行的关键技术。本实验研究通过不同的溅射阴极设计，采用射频溅射技术或磁控射频溅射技术在不同截面的陶瓷管道真空室内表面沉积TiN金属膜，满足脉冲电场和交变磁场无损失通过、保持壁电流的连续性、低的同步辐射光解析率和底的材料二次电子产额。实验通过对陶瓷真空室表面TiN膜的真空性能和加速器物理性能的研究，给出陶瓷表面TiN膜完整的面电阻、同步辐射光解析率、二次电子产额和真空性能等一整套数据，以满足新一代同步辐射光源以及质子储存环对真空室材料表面处理的特殊要求，为陶瓷超高真空系统的设计计算和获得提供依据。

随着陶瓷材料表面处理工艺和技术问题的解决，陶瓷材料已成为新一代粒子加速器储存环真空室制作的主要材料。本项目设计、建造一台陶瓷管道溅射镀膜系统，开展了陶瓷管道和异形陶瓷管道内表面直流溅射镀膜和射频溅射镀膜实验研究。在多丝靶溅射阴极优化设计计算中，用CST PARTICLE SUDIO软件模拟分析实验装置在镀膜过程中电场的分布情况，计算结果表明多丝阴极设计可有效提高溅射镀膜效率，膜的品质和均匀度更高，磁控溅射镀膜比直流溅射镀膜效率高。实验中在跑道型陶瓷管道内表面获得了均匀的高品质的TiN、Ti金属薄膜，并利用X射线光电子能谱（XPS）对所镀薄膜材料组成成份进行定量测量及分析，使用扫描电子显微镜（SEM）观察、测量了TiN金属薄膜的表面形貌和截面尺寸，利用测量结果计算出溅射镀膜效率。比较直流溅射镀膜和射频溅射镀膜结果得出在非导体镀膜实验中射频溅射镀膜效率远高于直流溅射镀膜。通过系列镀膜实验最终确定了完整陶瓷管道内表面溅射镀膜工艺参数和工艺规范。