Ti-Zr-V和Ti薄膜涂层在低温下对钛合金内衬薄壁腔体的真空特性研究

《Vacuum》：The vacuum characteristics of Ti-Zr-V and Ti film coatings on titanium alloy-lined thin-wall chambers at low temperatures

　　一种基于钛合金环结构的薄壁真空室设计与性能研究，采用Ti-Zr-V非蒸发 getter（NEG）薄膜有效降低涡流引起的压力梯度，实验表明在液氮温度（80 K）下系统压力降至9.28×10^-10 Pa，氢气吸附概率达0.006，优于纯钛薄膜。

　　

Jiqiang Jiao|Jun Meng|Changchun Li|Wenjun Xie|Jiancheng Yang|Ningfei Wei|Cheng Luo|Guodong Shen|Fangzhun Guo

大连交通大学机械工程学院，中国大连116028

摘要

我们提出了一种创新的偶极磁体真空室设计，该设计基于由钛合金环结构支撑的薄壁不锈钢外壳，旨在最小化涡流。真空室的内表面涂有一层Ti-Zr-V非蒸发 getter (NEG) 薄膜，以减少压力梯度。本研究在室温和液氮温度（LN₂）下分别表征了Ti-Zr-V的极限压力、抽气速度和吸附能力，同时也对Ti薄膜进行了同样的测试。通过蒙特卡洛模拟获得了准确的getter薄膜粘附概率，结果显示，在NEG涂层真空室内，压力从295 K时的5.8×10^-9 Pa显著降低到80 K时的9.28×10^-10 Pa。此外，Ti-Zr-V薄膜在295 K和80 K下的H₂最大粘附概率分别为0.002和0.006。因此，Ti-Zr-V薄膜在低温下具有可测量的吸附能力。在80 K时，Ti薄膜对H₂的初始抽气速率高于Ti-Zr-V薄膜，但Ti薄膜的饱和速度更快。最后，使用NEG涂层钛合金内衬的HIAF-BRing真空系统中的弧段平均计算静态压力在低温下低于3.2×10^-10 Pa。

引言

高强度重离子加速器设施（HIAF）是中国“十二五”计划中的重大科学项目之一，旨在提供高电流、高功率和高能量的束流，用于研究核结构、核聚变机制和原子物理学[1]、[2]。Booster Ring（BRing）是HIAF的主要加速器设施，周长为569.1米，共有48个偶极磁体。偶极磁体真空室是BRing真空系统中最重要的设备之一，总长度约为159米。尽管这种设计可以使磁场以12 T/s的速率增加，但快速变化的磁场会在金属真空室内产生涡流，从而缩短束流的寿命[3]。一些研究已经提出使用壁厚为0.3毫米的陶瓷或不锈钢结构作为减少涡流的有效方法[4]、[5]、[6]。

在本文中，我们提出了一种基于薄壁不锈钢管外壳的创新真空室设计，该外壳由3D打印的钛合金环支撑[7]、[8]。这种结构具有更高的结构强度和更小的磁间隙，同时制造成本也低于标准真空室设计。然而，为了满足规定的物理参数，偶极磁体的薄壁真空室纵向长度为3.3米。由于不锈钢管和钛合金环的热释气作用，薄壁真空室内的压力梯度也较大。因此，引入了非蒸发getter（NEG）薄膜，以获得高抽气速度、低热释气和高的饱和吸附能力，从而解决这些问题[9]、[10]、[11]、[12]。

近年来，关于getter薄膜的微观结构、制备方法、激活模式和室温下的脱附速率进行了大量研究[13]、[14]。此外，还测试了NEG和低温泵在各种条件下的真空特性[15]、[16]；Feng还实验研究了Zr₅₇V₃₆Fe₇样品在100 K下的氢吸附性能[17]。因此，研究低温下涂覆在真空室上的getter薄膜的真空特性非常重要。

为了减少涡流效应，我们基于适用于室温的钛合金内衬薄壁真空室设计了一种适用于低温的钛合金内衬薄壁真空室。当使用液氮（LN₂）冷却时，该薄壁真空室的工作温度低于80 K。我们还使用定制的测试系统测量了不同工作条件下Ti-Zr-V薄膜和Ti薄膜的极限压力。此外，还使用蒙特卡洛方法模拟了不同温度下H₂、CO和N₂的抽气速度。测试结果显示，80 K时getter薄膜的抽气速度明显高于295 K时的抽气速度。最后，根据getter薄膜的吸附性能，使用Molflow+估算了HIAF-BRing真空系统中弧段的平均静态压力，结果显示在80 K时，涂有Ti-Zr-V的钛合金内衬薄壁真空室的弧段平均静态压力低于3.2×10^-10 Pa。

章节摘录

钛合金内衬的薄壁真空室

本研究中提出的钛合金内衬薄壁真空室由薄壁真空室、杜瓦瓶、冷却管道和烘烤单元组成。示意图如图1所示，主要参数列在表1中。

首先，薄壁真空室由不锈钢管、钛合金环和真空法兰组成。不锈钢管采用316L材料制成，管内包裹着钛合金环。

Ti-Zr-V和Ti薄膜的制备

如图3(a)所示，Ti-Zr-V薄膜是通过直流磁控溅射系统沉积在钛合金内衬的薄壁真空室中的。溅射系统包括薄壁真空室、螺线管、辅助室和阴极靶材。阴极靶材由直径为2毫米、纯度为99.9%的Ti、Zr和V丝材绞合而成。由于薄壁真空室的宽度较大，因此使用了两个相同尺寸的阴极靶材。

不同条件下的极限压力和气体成分测量

图9显示了Ti-Zr-V涂层薄壁真空室在烘烤结束和用LN₂冷却过程中的压力变化。最初，在Ti-Zr-V薄膜激活和冷却过程中，p₁和p₂随时间缓慢下降，当系统达到室温时，p₁和p_{2的压力读数分别为5.1×10^-9 Pa和5.8×10^-9 Pa。用LN2冷却后，Ti-Zr-V涂层薄壁真空室的p2迅速下降。}

TC4材料的释气速率

薄壁真空室中钛合金环的表面积占总表面积的50%，因此这些环的热释气是决定最终真空压力的关键因素。为了研究3D打印TC4材料在超高真空条件下的释气特性，使用了一种新型双通道释气速率测量装置进行了释气性能测试[24]。测试前，样品经过了超声波处理。

结论

本研究得出的主要结论如下：

(1)

使用ANSYS Workbench对用LN₂冷却的薄壁真空室的温度分布进行了分析，最大温度为79.7 K，符合设计要求的80 K。

(2)

在不同条件下测量了Ti-Zr-V薄膜和Ti薄膜的极限压力和气体成分。在薄壁真空室之后，压力从295 K时的5.8×10^-9 Pa变化到80 K时的9.28×10^-10 Pa。

CRediT作者贡献声明

Wenjun Xie：正式分析。Changchun Li：研究。Ningfei Wei：方法论。Jiancheng Yang：项目管理、概念化。Jun Meng：验证、资源。Jiqiang Jiao：撰写 – 审稿与编辑、研究、数据管理。Guodong Shen：可视化、验证。Cheng Luo：方法论。Fangzhun Guo：验证、概念化

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了高强度重离子加速器设施项目（项目编号117200HIAF）和国家重点研发项目（项目编号Y91O310201）的支持。