半波长型超导腔的等离子体清洗工艺及机理研究

题名	半波长型超导腔的等离子体清洗工艺及机理研究
作者	吴安东
答辩日期	2018-12-01
文献子类	博士
授予单位	中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
授予地点	中国科学院大学
导师	赵红卫
英文摘要	经过半个世纪的发展,超导射频(Superconducting radio frequency,SRF)腔体已成为一般现代粒子加速器装置的核心部件。同常温腔体相比,超导腔具有较大束流孔径、更低的功率损耗等特性,使得其在长脉冲(连续)、高流强加速器装置中具有诸多优势。然而,基于目前的技术水平,场致发射效应依然是限制超导腔加速性能的主要因素,并给加速器的实际运行带来诸多不稳定因素。场致发射效应的产生通常与腔体内表面的污染有关。例如,外部金属、灰尘等颗粒物在腔体内表面的附着导致的表面峰值电场的放大,大量的实践表明,此类较大颗粒的污染问题可采用高压水冲洗(High pressure rinsing,HPR)解决。但是,来源于环境周围的化学污染物,诸如碳氢化合物以及各种残余气体在内表面的吸附等问题却难以通过标准的清洗方法得到有效地去除。为了提高超导腔在线运行中的加速性能,SRF科学共同体经过多年的努力和探索,诸多原位在线清洗技术得以发展,主要以射频功率锻炼(连续波以及高功率脉冲锻炼)、低温氦清洗两大技术手段为主。两种在线清洗手段的实现机理均为通过对腔体表面形貌的改善以降低场增强因子,从而达到缓解场致发射效应的目的。然而,这两种技术属于物理手段,对于腔体内表面的碳化物污染以及残余气体的吸附并不能得到完全有效的清除。近年来,基于活性氧等离子体的在线清洗技术得到发展,作用机理为利用具有氧活性的等离子体与腔体表面的碳氢化合物发生氧化反应生成具有挥发性的物质,使碳氢化合物污染较为彻底的从腔体表面清除,以达到缓解或消除场致发射效应的目的,其效果已在多-Cell椭球腔上得到验证。由中国科学院近代物理研究所主导、并同其他合作单位共同研发的我国加速器驱动次临界核嬗变系统(Chinese-Accelerator Driven System,C-ADS)已完成25MeV超导质子直线加速器原型样机的建设和调试,并实现了170μA连续质子束的运行。然而,实验发现加速器的失束和不稳定性主要来源于半波长型(Half wave resonator,HWR)超导腔的场致发射效应而导致的系统故障。因此,为减少场致发射导致的故障问题、提高C-ADS加速器的运行稳定性,基于半波长型超导腔的等离子体在线清洗技术被提出,促使了本论文的形成。首先,为考察在线运行条件下HWR腔体中的等离子体的特性,搭建了基于恒温器工况的放电实验平台。对等离子体的激励过程、实验参数进行了系统的研究,发现了一种基于微波阻抗变化的等离子体控制方法。同时,利用等离子体的特征发射光谱对等离子体的密度、电子的温度、氧分子的解离率进行了诊断,并掌握了适合于HWR腔在线等离子体清洗的最优实验参数。然后,开展了基于小样品的铌腔表面处理工艺研究。利用氩离子溅射实验分析表面成分以及功函数随深度变化,得到了功函数随碳化物减小而增大,随铌的氧化物增加而增大的结论。并且,分析了在以Nb_2O_5为表面的系统上,功函数随碳化物的变化的线性定量关系。另外,在由ICP等离子体源和开尔文探针集成的系统上开展了铌样品的清洗工艺和机理研究。根据功函数随清洗时间演化的指数曲线规律,提出了碳化物的清洗速率模型。利用该模型定量分析了等离子体中的离子通量、氧含量条件对清洗速率参数的贡献,证明了清洗过程中等离子体和表面碳化物之间的相互作用为离子协同的化学溅射机制。对功函数的稳定性以及表面氧化物的生长进行了表征,以此确定了等离子体清洗所需的有效时间和最佳氧含量等工艺参数。此外,直接通过垂测平台研究了碳化物的污染机理以及对腔体性能的影响。根据污染和腔体表面结合能的不同,将其分为低温物理吸附污染以及碳化学沉积两种机制。碳化物的低温物理吸附实验表明,该污染机制可以导致场致发射效应的增强而使腔体性能下降,但是,低温物理吸附可以通过回温解决碳污染导致的性能下降问题。然后,通过Ar/CH_4等离子体增强气相沉积方法在超导腔内表面形成碳沉积污染,测试表明,碳化学沉积导致的腔体性能下降问题不能通过传统的功率锻炼得到解决。最后,利用活性氧等离子体对碳化学沉积所污染的HWR开展了原位清洗实验研究。清洗过程中,对残余气体进行分析证明了超导腔中的碳化物同等离子体发生了化学作用。同时,垂测结果表明场致发射效应被消除,腔体性能不仅得到完全恢复而且同污染前的本底值相比,最大梯度提高约29%。进一步地,为与实际在线污染情况一致,对HWR超导腔进行了直接的暴露空气污染处理,其结果导致了超导腔的性能完全瘫痪,通过功率老练的处理方法亦不能使其性能恢复。因此,再次对HWR开展等离子体清洗,测试发现超导腔性能得以恢复,进一步的分析表明,等离子体清洗的化学作用对HWR超导腔中的碳化物污染具有清除效果。
语种	中文
页码	186
内容类型	学位论文
源URL	[http://119.78.100.186/handle/113462/134983]
专题	近代物理研究所_直线加速器中心
推荐引用方式 GB/T 7714	吴安东. 半波长型超导腔的等离子体清洗工艺及机理研究[D]. 中国科学院大学. 中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所). 2018.