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。該薄膜經過激活后具有抽氣效應,能夠使真空管道由原來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 ℃。在經過激活后,實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型。

　　在儲存類加速器真空系統中,真空室的結構多為細長管道。由于真空室放置在多個磁元件的間隙中,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型,而壓力分布梯度的存在,將對束流的壽命及品質產生較大影響。

　　在減小壓力分布梯度的研究方面,國際上已經做了大量的工作,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,造價很高。近年來歐洲核子中心(CERN) 創造性地提出了能在較低溫度下激活的管道泵技術,通過直流磁控濺射反應法將原本是系統氣載的真空管道經過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,從而使細長管道類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。管道泵技術最大的難點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 的研究人員經過多年實驗,選擇TiZrV 合金材料作為非蒸發吸氣劑 ,該合金材料吸氣劑最大的優點在于激活溫度僅在200 ℃以下,因此可以廣泛的應用于加速器真空系統中。

1、實驗裝置

1.1、鍍膜裝置

　　一根<80mm ×1800mm 的真空管道被選為實驗鍍膜管道。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。工作時對陰極靶材加負偏壓以提供鍍膜用電場。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。工作時對線圈加直流電來給鍍膜區域提供正交于電場的磁場,設計最高磁場強度為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可能保存大量的動能碎片,并可能進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。實驗和測試表明,用較重的氣體進行放電可以大大減小進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 個數量級,因此我們鍍膜時采用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、實驗方法

2.1、鍍膜方法

　　開啟分子泵機組,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系數。180 ℃烘烤24h 后將溫度降至鍍膜時的
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;螺線管電流加至140A ,相對應的磁場強度為1.5 ×10 ^{- 2} T ,此時通過觀察窗可看到輝光放電(圖3) 。

圖3 　放電狀況

　　通過調節磁場、電場及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驗誤差。本次實驗的烘烤溫度定為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,對鍍膜前后的數據進行比較。