《Vacuum》：Research on Scalable NEG Coating Techniques for Cu Vacuum Chambers in High Energy Photon Source: From Lab-Scale to Mass Production
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针对高能光子源（HEPS）第四代同步辐射光源真空系统挑战，开发了多腔室并行非蒸发 getter（NEG）涂层技术，实现连续24小时高效均匀涂层沉积，并系统验证了涂层性能（微观结构、成分、厚度均匀性等），解决了规模化生产中的涂层效率与均匀性问题，满足HEPS超高真空需求。
马勇生|孙飞|黄涛|杨宇晨|刘白琪|郭迪洲|董海义|何平
中国科学院高能物理研究所，中国北京市玉泉路19B号，100049
摘要
高能光子源（HEPS）采用了一个紧凑的48周期7BA晶格储存环（6 GeV/200 mA），以实现超高亮度的X射线，这对真空组件提出了工程挑战。虽然非蒸发性 getter（NEG）涂层可以提高超高真空（UHV）系统中的分布式抽气速度和容量，但由于以下原因存在可扩展性障碍：（1）在大规模、几何形状多样的真空室上进行涂层效率低下，难以满足实验室规模的生产需求；（2）在扩展的真空涂层区域内进行薄膜沉积时，难以实现稳定的工艺控制。本研究介绍了一种多腔室并行涂层系统，能够实现连续24小时的全负荷运行，从而在具有不同截面形状和长度的真空室中实现高通量和均匀的NEG薄膜沉积。此外，对涂层性能（包括微观结构、元素组成、厚度均匀性、抽气速度、气体吸附能力、老化和最终压力性能）的系统表征证实了该工艺的高质量和可重复性。最终，NEG涂层技术已成功应用于第四代同步辐射光源，满足了HEPS系统的超高真空要求。这种可扩展的涂层框架为下一代加速器真空系统树立了典范。
引言
高能光子源（HEPS）是由中国科学院高能物理研究所开发的第四代同步辐射设施，其束流能量为6 GeV，储存电流为200 mA [1]，[2]，[3]。HEPS采用优化的水平发射度（?h）约34 pm·rad，生成超高亮度的光子束，同时保持储存环周长为1,360.4 m [4]，[5]，如图1(a)所示。HEPS储存环采用了24单元双7BA（7-Bend-Achromat）无色散晶格设计，具有许多小孔径磁体结构 [6]。这种先进的配置使超低发射度储存环能够生成具有优异横向相干性的高亮度光子，从而将X射线成像能力扩展到传统光源无法实现的范围 [7]。HEPS储存环真空系统的布局设计如图1(b)所示。储存环的紧凑设计使得四极磁体核心直径约为25 mm，从而形成常规真空室，内径为22 mm，壁厚为1 mm。此外，前置室用于输送由偶极磁体产生的同步辐射，而跑道形真空室则便于将光从前置室沿束线传输到下游。两个磁体之间的紧凑间隙限制了沿束线安装泵的数量 [8]。为了解决这一问题，提出了在真空室上使用非蒸发性 getter（NEG）涂层，这种涂层能够在抑制由热负荷、光子辐照、电子轰击和其他粒子相互作用引起的脱附和放气的同时，提供分布式抽气能力 [9]。NEG薄膜的厚度极薄，仅几微米，从而保持了真空室原有的设计参数和几何形状 [10]。这种涂层技术已成功应用于全球多个加速器设施，包括MAX IV同步加速器 [11]、SIRIUS光源 [13] 和大型强子对撞机（LHC）的直线段 [14]。
HEPS真空系统需要对不同截面的腔室进行涂层处理：圆形、跑道形和前置室几何形状。如图2所示，该系统包括480个圆形腔室（长度496.8-1697.8 mm）、193个跑道形腔室（长度1041.5-2167 mm）和144个前置室（长度705.2-1168 mm）。值得注意的是，加速器弧段内的圆形腔室对于电子束传输至关重要，而将同步辐射从偶极磁体弧段传输到下游束线的跑道形腔室是主要的大规模生产目标，这些腔室数量较多且运行长度较长。真空技术的主要挑战在于实验室规模下的大批量真空室生产过程中涂层效率低下，以及在具有显著尺寸和几何变化的腔室中保持涂层均匀性的复杂性。为了解决这些问题，我们的主要方法是采用多腔室并行NEG涂层技术，实现设备连续24小时的全负荷运行，从而实现更高效的涂层过程。第四代光源中的紧凑储存环设计导致真空室的热膨胀不超过5 mm/m，这是根据铜的热膨胀系数（0.02 mm/°C）得出的。这种尺寸变化通过RF屏蔽波纹管来调节，要求NEG薄膜的激活温度严格低于250 °C，以在热循环条件下保持尺寸稳定性。对于大规模生产的NEG薄膜，保持高重复性和高质量的性能也至关重要。在本研究中，详细研究了包括微观结构、元素组成、厚度均匀性、抽气速度、气体吸附能力和老化在内的各项性能。结果表明，大规模生产的NEG薄膜在为HEPS中低导电性的窄腔室提供分布式抽气速度方面发挥了关键作用。
部分摘录
NEG涂层设施与高效大规模生产
NEG涂层的抽气速度得益于薄膜的多孔性和缺陷特性，但其纯度对其性能有显著影响。直流磁控溅射（一种物理气相沉积方法 [14]，[15]，[16]，[17]，[18]，[19]）非常适合用于在真空室内壁涂覆NEG涂层。图3展示了HEPS的NEG涂层设施。大规模生产系统的扩展涂层区域（> 3000 mm）能够实现多个真空室的顺序集成，确保高
大规模生产中NEG薄膜的标准微观结构和组成
NEG薄膜的微观结构是大规模生产中的一个重要考虑因素，受沉积条件的影响。它取决于沉积速度、基底温度、沉积原子的能量（这与压力和阴极与真空室之间的电压有关）。图9(a)和(b)分别展示了在圆形截面和跑道形截面真空室上沉积的TiZrV薄膜的表面形态
结论
第四代同步辐射光源的发展，以高能光子源（HEPS）为例，需要先进的真空工程解决方案来应对超紧凑晶格配置带来的挑战。本研究系统地探讨了非蒸发性 getter（NEG）涂层技术在受限真空腔室几何形状中实现分布式真空抽气的应用
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CRediT作者贡献声明
董海义：监督、项目管理。郭迪：资源提供。何平：监督、项目管理。马勇生：写作——审稿与编辑、初稿撰写、方法论、概念构建。黄涛：资源提供。孙飞：写作——审稿与编辑、方法论、数据整理、概念构建。刘白琪：资源提供。杨宇：资源提供
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。
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
本工作得到了中国国家重点科技基础设施——高能光子源（HEPS）的支持。国家发展和改革委员会（2017年）项目编号2173
