衍射极限储存环(DLSRs)的发展极大地改变了同步辐射光源,提供了前所未有的光束亮度和相干性。这为材料科学、生物学、物理学等领域的研究提供了强大的工具[1]。然而,DLSRs的紧凑型磁晶格和减小的磁孔径限制了光束真空管道的导电性以及放置真空泵的空间,给实现所需的UHV环境带来了重大挑战[2]、[3]。
为应对这些挑战,NEG薄膜因其优异的原位气体吸附能力和最小的气体释放率而成为现代加速器储存环中超高真空装置中的关键元素[4]、[5]。这些薄膜能够在超高真空环境中吸附残余气体(包括CO、O2、H2等),保持优越的真空状态并促进均匀的压力分布[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。此外,NEG薄膜的热气体释放较少,光子和电子激发解吸(PSD和ESD)也较少[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18],并且与标准真空腔室材料(如铜和不锈钢)相比产生的二次电子更少[19]、[20]。这些独特特性使其非常适合DLSR真空系统,在这些系统中,最小化压力变化和气体引起的光束散射对于保持加速器光束的完整性和稳定性至关重要[21]、[22]、[23]。CERN在20世纪90年代率先将NEG薄膜沉积技术应用于大型强子对撞机(LHC)。此后,这种方法在加速器的超高真空系统中得到了广泛应用[24]、[25]、[26]。后续几代光源,特别是第三代和第四代设施,采用了NEG薄膜衬里的真空管道来提升系统的真空性能[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。
NEG薄膜通过吸附真空系统内的气体分子来改善真空环境。尽管如此,吸附会导致薄膜的钝化,从而降低其气体吸附能力。这种钝化效应可以通过在UHV环境中的高温加热来逆转,从而恢复薄膜的气体吸附能力并保持稳定的抽气功能。这一恢复过程通常被称为NEG薄膜的激活[32]。NEG薄膜的材料通常由过渡金属组成,其中TiZrV薄膜(包含钛、锆和钒)在加速器中经常被使用[33]、[34]。TiZrV薄膜中的Ti和Zr具有很强的氧亲和性和溶解性,而V则具有优异的氧扩散性能,从而保证了最佳的抽气速度和有效的激活特性[12]、[35]。TiZrV薄膜的激活温度必须与光束管道基底(如铜或铝)兼容,以防止高温激活过程对管道的机械尺寸和性能产生不利影响。此外,TiZrV薄膜的抽气速度对于确定系统内的真空质量至关重要。因此,研究NEG薄膜的激活温度和抽气速度性能对其在加速器超高真空系统中的实际应用至关重要。
HEPS是中国领先的衍射极限光源,其光束能量为6 GeV,光束电流强度为200 mA。HEPS的电子束具有极低的发射度,使得光子束接近衍射极限。该设施的6 GeV储存环周长为1360米,由24个双7BA单元消色差晶格组成,光束发射度为34.2 pm rad[36]、[37]。储存环真空系统包含918根光束真空管道,其中约1200米的内壁涂有TiZrV薄膜。这种涂层是为了满足设计要求,即光束管道内的动态真空必须保持在1 × 10-7 Pa以下[31]。本研究主要概述了一种用于可移动螺线管的批量磁控溅射涂层装置的设计和建造。利用该装置,将TiZrV薄膜沉积在Si和铜基底上,以及铬-锆-铜(CuZrCr)光束样品管上。通过XPS确定了TiZrV薄膜的激活温度,并使用透射因子方法评估了其抽气速度,以评估批量涂层TiZrV薄膜的特性及其在HEPS储存环超高真空系统中的适用性。