对NEG涂层样品管中的光子诱导脱附过程进行建模

《Vacuum》：Modelling photon-stimulated desorption from NEG coated sample tubes

低光子刺激脱附（PSD）材料选择对粒子加速器真空性能至关重要，传统真空导纳法因未考虑吸附壁的分子束流效应，导致PSD测量结果严重低估（可达3个数量级）。TPMC模型通过模拟不同部件的光子相互作用和分子输运过程，揭示了非蒸发性吸气剂（NEG）涂层等吸附表面对测量精度的影响机制。

　　

Eleni Marshall|Oleg B. Malyshev|Gao-Yu Hsiung

ASTeC，STFC Daresbury实验室，Sci-Tech Daresbury，Warrington，WA4 4AD，英国

摘要

低光子激发脱附产率是选择适用于粒子加速器的材料时的一个重要因素。测量这一参数的常用方法是真空导电率法。本文利用TPMC模型展示了如何更新该方法以考虑沿系统的分子束流效应，并指出该方法在研究具有吸附壁的样品时严重低估了PSD产率。当粘附概率等于1时，低估程度可能高达3个数量级。然而，要量化这一差异，需要准确的粘附概率测量数据，并且必须假设测试腔室与实验样品之间的脱附情况。

引言

光子激发脱附（PSD）是指气体分子因光子相互作用而从表面脱附的过程，它是粒子加速器中气体的主要来源。因此，在设计粒子加速器时，必须选择具有低PSD产率的真空腔室材料，以尽量减少气体粒子对束流的干扰。在测量PSD产率的方法中，基于真空导电率的方法最为流行[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]，因为它简单且适用于大多数应用。此类设施的示意图如图1所示；气体流量$Q$是通过测量两个真空腔室（测试腔室（TC）和泵腔室（PC）之间的压力差来确定的，其压力分别为$P_1$和$P_2$，然后利用两者之间的真空导电率$U$进行计算：$Q=U\times (P_1?P_2)$在未暴露于同步辐射（SR）的情况下最初测量压力以获得背景读数（$P_{1,b}$和$P_2$），然后在SR照射期间继续测量（$P_1和$$P_2$）。本文中使用的$P1$和$P2$都是减去背景后的测量值，因此这些方程中未考虑热脱附的影响。

每种气体的流量（$i$）也可以表示为：$Q=\eta \times \Gamma$其中$\eta$是PSD产率，$\Gamma$是光子通量。因此，可以从分压计算PSD产率：$\eta =\frac{U}{\times }\Gamma$该方程和方法对于具有非吸附壁的样品效果良好，但对于具有吸附壁的样品（例如涂有不可蒸发吸气剂（NEG）膜的腔室），则会引入误差，因为脱附的分子可能被吸附表面重新吸收而不会通过TC和PC之间的导电路径。

此外，为了照射样品管，同步辐射（SR）的宽度和高度由准直器定义，但由于衍射，靠近准直器边缘的光子会改变轨迹并与被认为是准直器阴影区域的TC壁相互作用，见图2。这些光子会在TC中引起PSD。这种效应还受到从样品管反射回来的少量光子以及由光电子引起的电子激发脱附的进一步影响。对于具有非吸附壁的样品，这种效应的贡献很小。然而，对于具有吸附壁的样品，许多通过PSD在样品管内脱附的气体物质在到达TC之前就被重新吸收了。在这种情况下，测试腔室壁的脱附贡献更为显著，从而在方程（3）中引入了误差。

本文的目的是研究使用近似方程（3）得到的结果与使用精确的Test-Particle Monte Carlo（TPMC）模型得到的结果之间的差异。

章节片段

Test-Particle Monte Carlo模型

该模型旨在模拟台湾光源（TLS）的一个真实系统，其中一根内径为38毫米、长度为50厘米的不锈钢管在STFC Daresbury实验室进行了涂层处理，然后被送往国家同步辐射研究中心（NSRRC）研究PSD产率。涂有NEG的管子安装在TLS的BL19B光束线上，基于NSRRC真空小组提供的详细图纸创建了一个TPMC模型，如图3所示。这是一个基于TPMC的自由软件。

讨论

在以下分析中，假设在SR照射期间大部分PSD来自NEG涂层管，其他部分的脱附通量可以按以下方式归一化到NEG涂层管：

• •
  $d_2=a1$
• •
  $d_3=b1$

其中$a$和$b$小于1。现在可以同时考虑三种来源的结果，作为每种气体脱附的叠加。$\frac{\Delta P}{(}\Delta P_{d3}\left(0\right)=\frac{\Delta P_{d1}(\alpha +a\times \Delta P_{d2}(\alpha +b\times \Delta P_{d3}(\alpha }{\Delta P_{d3}\left(0\right)}$

例如，图5显示了每个来源及其总和的结果

结论

TPMC建模的结果表明，如果使用NEG涂层样品进行实验并引入吸附壁，使用方程（3）得到的PSD产率结果是不正确的。NEG涂层管的$\alpha$值越高，方程的不准确性就越大，误差可能高达3个数量级或更多，在这种情况下，使用方程（3）计算的脱附产率被严重低估。为了考虑吸附壁的影响，需要修改方程（3）。

CRediT作者贡献声明

Eleni Marshall：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，正式分析，数据管理。Oleg B. Malyshev：撰写——审稿与编辑，正式分析，概念化。Gao-Yu Hsiung：可视化，方法论。

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。