[发明专利]一种用于真空磁控溅射镀膜的样片腔装置及其加工方法

说明书

本发明公开了一种用于真空磁控溅射镀膜的样片腔装置及其加工方法。本发明的样片腔装置，其特征在于，包括样片腔和多个铜样片，所述样片腔与目标铜腔的形状和尺寸相同；各所述铜样片分别固定在所述样片腔内设定关注的部位。本发明首先将样片腔装置放置于真空腔室内，采用磁控溅射镀膜方法在样片腔装置上镀铌；然后根据固定在所述样片腔装置内的铜样片镀膜确定目标铜腔内表面各位置处对应的镀膜信息，再结合所述镀膜信息优化镀膜参数。本发明通过该样片腔装置进行镀膜实验并对样片进行表征分析，能够优化各个位置处的镀膜参数，为后续整个目标铜腔基底的镀膜提供经验指导。

技术领域

本发明涉及一种用于真空磁控溅射镀膜的样片腔装置及其加工方法。

背景技术

加速器的全名是“带电粒子加速器”，它是一种用人工方法产生高能带电粒子束的装置。它利用一定形态的电磁场将正负电子、质子、轻重离子等带电粒子加速，使它们的速度达到接近光速的水平。这种具有相当高能量的粒子束，是人们变革原子核、研究“基本粒子”、认识物质深层结构的重要工具。粒子加速器是一种复杂的高技术工程设备，主要由四个基本部分构成：粒子源、真空加速室、导引聚焦系统、束流输运及分析系统。其中，真空加速室是一种装有加速结构的真空室，在真空中产生一定形态的加速电场，使粒子在不受空气分子散射的条件下得到加速，如高频加速腔。高频系统是加速器的心脏，将电能转换成微波功率，微波功率馈入高频腔，并在其中激励起电磁场，传递给带电粒子，使之得到加速和能量补充。铜镀铌超导腔的研制最终目的是得到一个超导射频性能高的超导薄膜腔，从而这个超导薄膜腔能用于加速器装置中，实现粒子加速。本发明中样片腔装置的设计和加工极大方便了前期铜样片镀膜实验的进行，从而为铜镀铌超导腔的研制提供经验指导，加快实现国内超导薄膜腔在加速器装置中的应用。

目前国内的高频腔大部分都是采用纯铌超导材料，纯铌超导腔经过几十年的发展，相关技术已经成熟，加速梯度E_acc已经接近理论极限。因此，如何提高加速梯度和降低加速器的运行成本一直是射频超导领域的研究热点。其中，铌薄膜超导腔的研究开辟出发展超导腔的另一条路径。关于铜铌溅射超导腔的制造，我们在铜腔基底上采用磁控溅射法镀超导铌薄膜，从而得到铜铌溅射超导腔。整个镀膜工艺都是在高真空下进行的。

从20世纪80年代开始，国外已经开始了铜溅射铌超导腔的研究，并将铜铌磁控溅射技术运用于各种不同频率和腔型中，且投入到了加速器运行当中。其中，前期的样片镀膜实验，最初都是先进行平面磁控溅射的样片实验(样片也均为平面)或者在腔体的三个典型区域(赤道处，腔与束管的过渡区、束管处)进行样片镀膜实验，虽然操作很方便，但是不能近似模拟具有一定形状的铜基底处各个地方的镀膜情况(包括铌薄膜厚度、形貌、剩余电阻比率RRR值等)，并不能为后期整腔镀膜操作提供有效指导。此后，欧洲核子中心(CERN)进行过四分之一波长腔(QWR腔)的镀膜，由于QWR腔需要镀膜的部分是在腔的内外导体上，除了导体的尖端圆弧部分，其他部位都是直线段，因此前期的样片镀膜实验都是将铜样片固定在支撑体的内外导体对应的位置，直线段的样片固定操作比较方便简单。前期的样片实验如果能最大化代表整腔的镀膜情况，那么做好前期样片实验并优化，即可最大可能保证整腔镀膜的水平，对于铜铌溅射超导腔甚至整个超导腔领域来说，具有里程碑的意义。

在国内，铜铌溅射超导腔的研究几乎处于刚起步阶段，21世纪初，国内进行过四分之一波长(QWR型)的铜铌溅射超导腔的研制工作，但是前期没有能有效代表整腔镀膜情况的完整的样片镀膜实验，且镀出来的整腔射频性能未能达到国际水平。因此，在整腔镀膜前，通过样片镀膜实验来摸索并优化镀膜参数至关重要，直接决定整腔镀膜质量。本发明以1.3GHz铜铌溅射超导腔研究的前期样片镀膜实验为契机，为解决在真空镀膜系统中样片镀膜实验操作中的技术问题，设计并加工了一套用于真空磁控溅射镀膜的样片腔装置，整个装置以促进铜样片镀膜实验的有效进行和整腔镀膜的成功为目标而开展。