半波长型超导腔的等离子体清洗工艺及机理研究
发布时间：2021-04-30 08:53
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...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)甘肃省
【文章页数】：186 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 论文的选题背景
1.2 国内外超导加速器运行中普遍面临的问题举例
1.2.1 ADS直线加速器运行遇到的问题
1.2.2 SNS直线加速器性能限制因素
1.2.3 CEBAF运行中的性能下降问题
1.2.4 欧洲XFEL性能的限制因素
1.3 论文的主要内容
1.4 论文的特点和创新点
第2章 超导腔在线运行的限制因素以及恢复方法
2.1 超导腔的基本参数[34]
2.2 超导铌腔在线运行的性能限制因素
2.2.1 电子倍增效应
2.2.2 场致发射电子效应
2.2.3 热致失超
2.3 腔体性能在线恢复方法
2.3.1 射频功率锻炼
2.3.2 低温氦清洗
2.3.3 等离子体在线清洗
第3章 基于小样品的铌腔表面处理及表征
3.1 影响场致发射的表面特性
3.2 标准工艺的铌样品制备
3.2.1 缓冲化学抛光
3.2.2 电化学抛光
3.2.3 高温热处理
3.3 样品表面形貌表征
3.4 样品表面化学成分的对比
3.5 样品深度分布实验分析
3.5.1 氩离子剥离化学成分分析
3.5.2 功函数随碳氧元素变化的定性关系
3.5.3 功函数随碳化物变化的定量关系
3.6 本章小结
第4章 超导腔中的射频等离子体特性研究
4.1 等离子体与材料相互作用参数
4.1.1 等离子体在器壁边界的损失
4.1.2 氧的解离及氧化反应
4.2 等离子体放电实验平台设计
4.2.1 在线工况与放电实验微波系统
4.2.2 真空及气路系统
4.2.3 等离子体诊断方案的选取
4.3 等离子体激励的实验参数研究
4.3.1 两种功率加载方式
4.3.2 气压对激励功率的影响
4.3.3 氧参比对激励功率的影响
4.3.4 实验参数对等离子体分布的影响
4.4 等离子体的微波负载效应
4.4.1 传输线及RLC模型
4.4.2 等离子体的介电常数
4.4.3 等离子体的阻抗变化
4.4.4 基于阻抗变化的等离子体控制方法
4.5 等离子体激励的电场阈值条件
4.6 等离子体的特征光谱研究
4.6.1 原子和分子的跃迁谱线特征
4.6.2 氩原子及氩离子光谱特性
4.6.3 活性氧原子的浓度及光谱特性
4.7 等离子体特性参数诊断
4.7.1 局部热平衡及电晕模型
4.7.2 电子温度的测量
4.7.3 自由电子密度的测量
4.8 本章小结
第5章 铌样品的等离子体清洗工艺及机理研究
5.1 实验介绍
5.1.1 实验装置及等离子体源介绍
5.1.2 基于开尔文探针的功函数测试原理
5.1.3 等离子体的朗缪尔探针诊断原理
5.2 电感耦合等离子体源的特征参数调控方法
5.2.1 容性耦合与感性耦合之间的模式转换
5.2.2 射频线圈匝数的影响
5.2.3 气压及流量的影响
5.2.4 氧含量的影响
5.2.5 空间剖面分布
5.3 清洗中的相互作用机制初步研究
5.3.1 氧对提高功函数影响
5.3.2 氧对反应产物的影响
5.4 离子协同的化学溅射作用研究
5.4.1 清洗速率模型的提出
5.4.2 氩离子的物理轰击作用
5.4.3 氧在化学溅射中的作用
5.5 清洗后功函数随时间的退化问题
5.5.1 铌表面深层污染物的迁移作用
5.5.2 石英管壁的溅射及硅污染
5.5.3 功函数的稳定性研究
5.6 等离子体清洗对铌表面的改性作用
5.6.1 角分辨的光电子能谱仪
5.6.2 清洗前后表面成分对比
5.6.3 清洗前后氧化物厚度分析
5.7 本章小结
第6章 超导腔的碳化物污染以及等离子体清洗实验研究
6.1 实验条件准备
6.1.1 超导腔的表面处理
6.1.2 测试天线及动态耦合器设计
6.1.3 真空密封以及低温冷漏
6.2 超导腔的性能本底
6.3 碳化物的低温吸附实验研究
6.4 碳化物的化学沉积实验研究
6.4.1 等离子体辅助沉积方法
6.4.2 碳沉积对腔体性能的影响
6.5 超导腔的等离子体清洗实验研究
6.5.1 清洗策略的考虑
6.5.2 清洗过程中的化学反应
6.5.3 等离子体清洗对场致发射的抑制作用
6.6 超导腔的空气污染以及性能恢复研究
6.6.1 暴露大气对腔体性能的影响
6.6.2 等离子体清洗对腔体的恢复作用
6.6.3 低温氦清洗对腔体性能的进一步恢复作用
6.7 本章小结
第7章 结论和展望
7.1 结论
7.2 展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]Multipacting analysis for half wave resonators in the China ADS[J]. 张聪,张生虎,何源,岳伟明,常玮. Chinese Physics C. 2015(11)
[2]空气中微波击穿电场的计算[J]. 翁明,王瑞,崔万照. 真空科学与技术学报. 2013(06)
[3]采用等效特征扩散长度计算微波击穿电场[J]. 翁明,王瑞,崔万照. 西安交通大学学报. 2013(04)
博士论文
[1]Taper型超导腔低温恒温器的研制[D]. 白峰.中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) 2018
[2]强流超导加速器低电平控制算法实验研究[D]. 高郑.中国科学院研究生院(近代物理研究所) 2016
硕士论文
[1]CiADS固态功率源的可用性设计与分析[D]. 高鹏辉.中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) 2018
本文编号：3169218
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)甘肃省
【文章页数】：186 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 论文的选题背景
1.2 国内外超导加速器运行中普遍面临的问题举例
1.2.1 ADS直线加速器运行遇到的问题
1.2.2 SNS直线加速器性能限制因素
1.2.3 CEBAF运行中的性能下降问题
1.2.4 欧洲XFEL性能的限制因素
1.3 论文的主要内容
1.4 论文的特点和创新点
第2章 超导腔在线运行的限制因素以及恢复方法
2.1 超导腔的基本参数[34]
2.2 超导铌腔在线运行的性能限制因素
2.2.1 电子倍增效应
2.2.2 场致发射电子效应
2.2.3 热致失超
2.3 腔体性能在线恢复方法
2.3.1 射频功率锻炼
2.3.2 低温氦清洗
2.3.3 等离子体在线清洗
第3章 基于小样品的铌腔表面处理及表征
3.1 影响场致发射的表面特性
3.2 标准工艺的铌样品制备
3.2.1 缓冲化学抛光
3.2.2 电化学抛光
3.2.3 高温热处理
3.3 样品表面形貌表征
3.4 样品表面化学成分的对比
3.5 样品深度分布实验分析
3.5.1 氩离子剥离化学成分分析
3.5.2 功函数随碳氧元素变化的定性关系
3.5.3 功函数随碳化物变化的定量关系
3.6 本章小结
第4章 超导腔中的射频等离子体特性研究
4.1 等离子体与材料相互作用参数
4.1.1 等离子体在器壁边界的损失
4.1.2 氧的解离及氧化反应
4.2 等离子体放电实验平台设计
4.2.1 在线工况与放电实验微波系统
4.2.2 真空及气路系统
4.2.3 等离子体诊断方案的选取
4.3 等离子体激励的实验参数研究
4.3.1 两种功率加载方式
4.3.2 气压对激励功率的影响
4.3.3 氧参比对激励功率的影响
4.3.4 实验参数对等离子体分布的影响
4.4 等离子体的微波负载效应
4.4.1 传输线及RLC模型
4.4.2 等离子体的介电常数
4.4.3 等离子体的阻抗变化
4.4.4 基于阻抗变化的等离子体控制方法
4.5 等离子体激励的电场阈值条件
4.6 等离子体的特征光谱研究
4.6.1 原子和分子的跃迁谱线特征
4.6.2 氩原子及氩离子光谱特性
4.6.3 活性氧原子的浓度及光谱特性
4.7 等离子体特性参数诊断
4.7.1 局部热平衡及电晕模型
4.7.2 电子温度的测量
4.7.3 自由电子密度的测量
4.8 本章小结
第5章 铌样品的等离子体清洗工艺及机理研究
5.1 实验介绍
5.1.1 实验装置及等离子体源介绍
5.1.2 基于开尔文探针的功函数测试原理
5.1.3 等离子体的朗缪尔探针诊断原理
5.2 电感耦合等离子体源的特征参数调控方法
5.2.1 容性耦合与感性耦合之间的模式转换
5.2.2 射频线圈匝数的影响
5.2.3 气压及流量的影响
5.2.4 氧含量的影响
5.2.5 空间剖面分布
5.3 清洗中的相互作用机制初步研究
5.3.1 氧对提高功函数影响
5.3.2 氧对反应产物的影响
5.4 离子协同的化学溅射作用研究
5.4.1 清洗速率模型的提出
5.4.2 氩离子的物理轰击作用
5.4.3 氧在化学溅射中的作用
5.5 清洗后功函数随时间的退化问题
5.5.1 铌表面深层污染物的迁移作用
5.5.2 石英管壁的溅射及硅污染
5.5.3 功函数的稳定性研究
5.6 等离子体清洗对铌表面的改性作用
5.6.1 角分辨的光电子能谱仪
5.6.2 清洗前后表面成分对比
5.6.3 清洗前后氧化物厚度分析
5.7 本章小结
第6章 超导腔的碳化物污染以及等离子体清洗实验研究
6.1 实验条件准备
6.1.1 超导腔的表面处理
6.1.2 测试天线及动态耦合器设计
6.1.3 真空密封以及低温冷漏
6.2 超导腔的性能本底
6.3 碳化物的低温吸附实验研究
6.4 碳化物的化学沉积实验研究
6.4.1 等离子体辅助沉积方法
6.4.2 碳沉积对腔体性能的影响
6.5 超导腔的等离子体清洗实验研究
6.5.1 清洗策略的考虑
6.5.2 清洗过程中的化学反应
6.5.3 等离子体清洗对场致发射的抑制作用
6.6 超导腔的空气污染以及性能恢复研究
6.6.1 暴露大气对腔体性能的影响
6.6.2 等离子体清洗对腔体的恢复作用
6.6.3 低温氦清洗对腔体性能的进一步恢复作用
6.7 本章小结
第7章 结论和展望
7.1 结论
7.2 展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]Multipacting analysis for half wave resonators in the China ADS[J]. 张聪,张生虎,何源,岳伟明,常玮. Chinese Physics C. 2015(11)
[2]空气中微波击穿电场的计算[J]. 翁明,王瑞,崔万照. 真空科学与技术学报. 2013(06)
[3]采用等效特征扩散长度计算微波击穿电场[J]. 翁明,王瑞,崔万照. 西安交通大学学报. 2013(04)
博士论文
[1]Taper型超导腔低温恒温器的研制[D]. 白峰.中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) 2018
[2]强流超导加速器低电平控制算法实验研究[D]. 高郑.中国科学院研究生院(近代物理研究所) 2016
硕士论文
[1]CiADS固态功率源的可用性设计与分析[D]. 高鹏辉.中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) 2018
本文编号：3169218
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hkxlw/3169218.html
