非蒸发型吸气剂涂层的寿命与活化效应研究：加速器真空系统性能优化新视角

本研究针对粒子加速器中非蒸发型吸气剂(NEG)涂层在多次活化/饱和循环后的性能退化问题，通过对比不锈钢(S1-SS)和铝合金(S2-Al)基底的TiZrV涂层在160-250°C活化温度下的36次循环实验，揭示了H2和CO吸附能力(α)及CO吸附容量(sCO)的差异化衰减规律，发现延长活化时间和提高温度可部分恢复性能，为加速器真空系统设计提供了关键参数依据。

　　

在粒子加速器等大型科学装置中，维持超高真空(UHV)环境是保证设备正常运行的关键挑战。非蒸发型吸气剂(Non-Evaporable Getter, NEG)涂层因其独特的分布式抽气能力，已成为现代加速器真空系统的核心组件。这类涂层通过化学吸附和物理吸附作用捕获残余气体分子，特别适用于低流导真空系统。然而，NEG涂层在长期使用过程中会经历反复的活化-饱和循环，每次暴露于大气或气体环境后，其表面会形成氧化层导致性能下降，需要通过加热活化来恢复。随着活化次数的增加，涂层内部积累的杂质原子逐渐接近溶解度极限，最终导致不可逆的性能衰退。这一"老化效应"直接影响着加速器的运行寿命和维护周期，但目前针对不同基底材料和活化条件的老化规律研究仍不充分，特别是针对铝基真空室等新型材料的低温活化特性更是缺乏系统数据。

为深入理解NEG涂层的老化机制，Eleni Marshall、Oleg B. Malyshev和Reza Valizadeh团队在《Vacuum》发表了这项系统性研究。研究人员采用磁控溅射技术在316LN不锈钢(S1-SS)和AA-4643铝合金(S2-Al)管件上沉积TiZrV涂层，通过专门设计的真空测试装置，在25-36次活化/饱和循环中监测H₂和CO的吸附概率(α)及CO吸附容量(s_CO)。关键技术包括：1)采用Kr气氛磁控溅射制备厚度0.9-1.2μm的NEG涂层；2)建立包含双残余气体分析仪(RGA)的测试系统，通过分压比(R=P₂/P₁)测定吸附性能；3)应用测试粒子蒙特卡洛(TPMC)模型分析表面几何结构对吸附的影响；4)采用扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDX)表征涂层微观结构和成分。

在"3.1 表面表征"部分，SEM显示两种涂层均呈现柱状结构，但S2-Al的裂纹更明显，具有更大的比表面积。EDX分析显示涂层成分为Ti(27-28%)、V(57%)、Zr(15-16%)，与传统的1:1:1比例存在差异。"3.2 NEG涂层吸附性能"通过TPMC建模将实验测量的R值转化为α值，发现柱状结构使几何吸附概率(α)高于本征吸附系数(β)，这一效应在低β值时尤为显著。

"3.3 样品S1-SS"结果显示，200°C活化25次后，α_H2下降150倍，而α_CO仅下降5倍。延长活化时间至72小时可使α_H2恢复约10倍，提高活化温度至250°C进一步使α_H2提升6倍。"3.4 样品S2-Al"在160°C活化时表现出更缓慢的α_H2衰减(31倍)，但将温度升至180°C未见明显改善，表明铝基材的温度限制影响了性能恢复。

在"4.2.3 吸附系数"讨论中，研究揭示了表面形貌对老化表现的调控机制：高α_CO主要取决于柱状几何结构，对活性位点数量变化不敏感；而低α_H2和s_CO则强烈依赖于总吸附位点数量，因此随活化次数增加表现出更显著的退化。这种差异解释了为何H₂吸附能力在老化过程中衰减更快。

这项研究为加速器真空系统设计提供了重要指导：对于不锈钢真空室，适当提高活化温度(至250°C)可显著延长NEG涂层寿命；而铝基真空室因温度限制，需优化涂层微结构来补偿低温活化的不足。研究还证实，在模拟轻微真空事故(非大气暴露)条件下，NEG涂层可承受至少25次标准活化循环，这一结果比早期CERN研究中大气暴露条件下的6次循环寿命大为改善，为加速器运行维护提供了更宽松的操作窗口。这些发现不仅适用于现有加速器升级，也为未来基于铝基真空室的新型加速器设计提供了关键参数。