采用直流磁控反濺射法在不銹鋼真空管道內(nèi)表面均勻鍍上一層TiZrV 薄膜。該薄膜經(jīng)過激活后具有抽氣效應(yīng),能夠使真空管道由原來的系統(tǒng)氣載轉(zhuǎn)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)過激活后,實(shí)驗(yàn)裝置遠(yuǎn)端的真空度與泵口真空度相同,因此壓力分布呈直線型。

　　在儲(chǔ)存類加速器真空系統(tǒng)中,真空室的結(jié)構(gòu)多為細(xì)長(zhǎng)管道。由于真空室放置在多個(gè)磁元件的間隙中,常規(guī)的配泵方法多采用集中式 ,即根據(jù)系統(tǒng)氣載的大小,每間隔一段距離配置一臺(tái)真空泵。但是由于真空泵抽速受到真空管道流導(dǎo)的限制,距離真空泵的位置越遠(yuǎn),該處的抽速損失越大,真空度也就相對(duì)越低。集中式配泵系統(tǒng)的壓力分布呈拋物線型,而壓力分布梯度的存在,將對(duì)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(guó)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(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,造價(jià)很高。近年來歐洲核子中心(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),通過直流磁控濺射反應(yīng)法將原本是系統(tǒng)氣載的真空管道經(jīng)過鍍抽氣層工藝處理轉(zhuǎn)變成了真空泵,使管道內(nèi)部處處具有均勻抽速,從而使細(xì)長(zhǎng)管道類真空系統(tǒng)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(tǒng)的抽氣層材料激活需要較高的溫度,所謂激活就是通過烘烤使吸氣劑材料對(duì)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(tǒng)中經(jīng)常使用。它使用的吸氣劑材料為ZrAl 合金,在激活后對(duì)活性氣體尤其是對(duì)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(tǒng)達(dá)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(jī)械或者物理要求的限制,烘烤溫度不能過高,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)過多年實(shí)驗(yàn),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(yīng)用于加速器真空系統(tǒng)中。

1、實(shí)驗(yàn)裝置

1.1、鍍膜裝置

　　一根<80mm ×1800mm 的真空管道被選為實(shí)驗(yàn)鍍膜管道。直流磁控濺射鍍膜系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)右側(cè)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(duì)陰極靶材加負(fù)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 的銅線圈,Al 筒和線圈之間用Kapton 材料絕緣。工作時(shí)對(duì)線圈加直流電來給鍍膜區(qū)域提供正交于電場(chǎng)的磁場(chǎng),設(shè)計(jì)最高磁場(chǎng)強(qiáng)度為2.6 ×10 ^-2 T。圖1 左側(cè)部分為放電氣體壓力維持部分,由送氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、真空測(cè)量系統(tǒng)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(tǒng)極限真空的獲得。實(shí)驗(yàn)和測(cè)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(dá)3500ppm ,用Kr 可以降低2 個(gè)數(shù)量級(jí),因此我們鍍膜時(shí)采用Kr作為放電氣體 。排氣系統(tǒng)選用德國(guó)Leybold 公司的600L·s ^{- 1}渦輪分子泵機(jī)組,壓力測(cè)量則選用PT90全量程復(fù)合規(guī)管(測(cè)量范圍:1 ×10 ^{- 7} Pa～10⁵Pa) 。

圖1 　鍍膜系統(tǒng)示意圖　圖2 　壓力分布測(cè)試系統(tǒng)

1.2、壓力分布梯度測(cè)試裝置

　　壓力分布梯度測(cè)試裝置由排氣系統(tǒng)和鍍膜管道兩部分組成,結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

　　排氣系統(tǒng)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(yuǎn)端的真空度,均選用測(cè)量下限為2 ×10 ^{- 10} Pa 的IE514 分離規(guī)測(cè)量。

2、實(shí)驗(yàn)方法

2.1、鍍膜方法

　　開啟分子泵機(jī)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(nèi)表面的鍍膜附著系數(shù)。180 ℃烘烤24h 后將溫度降至鍍膜時(shí)的
工作溫度120 ℃,向系統(tǒng)內(nèi)送入純度為99.999 %Kr氣,壓力保持在5 ×10 ^{- 1} Pa ;對(duì)陰極加- 500V 的直流電壓,真空管道接地;螺線管電流加至140A ,相對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為1.5 ×10 ^{- 2} T ,此時(shí)通過觀察窗可看到輝光放電(圖3) 。

圖3 　放電狀況

　　通過調(diào)節(jié)磁場(chǎng)、電場(chǎng)及Kr 氣壓強(qiáng)可以改變輝光放電電流,即改變鍍膜速率。在上述參數(shù)設(shè)置下,相應(yīng)的放電電流為0.5A ,鍍膜周期為10h。

2.2、壓力分布梯度測(cè)試方法

　　首先測(cè)試系統(tǒng)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(cè)試,兩次測(cè)試的條件應(yīng)該完全一致以減小實(shí)驗(yàn)誤差。本次實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù),使用計(jì)算壓力分布梯度的軟件VAKTRAK 擬和曲線,對(duì)鍍膜前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。