碳化硅（SiC）材料在粒子加速器裝置中的應(yīng)用研究

摘要：文章采用同軸微波傳輸反射法測試了某種SiC樣品的相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率。通過計算機微波仿真軟件進(jìn)行了SiC吸波材料的厚度對S參數(shù)結(jié)果影響的仿真計算。開展了SiC吸波材料與金屬材料的陶瓷金屬焊接工藝試驗，通過試驗解決了SiC與金屬材料膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的SiC吸波材料開裂的問題。為SiC吸波材料在粒子加速器大科學(xué)裝置中應(yīng)用提供了基礎(chǔ)條件。

關(guān)鍵詞：SiC;吸波材料;介電常數(shù);磁導(dǎo)率;焊接

中圖分類號：TP391.9? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：2096-4706（2021）07-0165-04

Research on Application of Silicon Carbide（SiC）Materials in Particle Accelerator

LI Rong

（Anhui East China Photoelectric Technology Research Institute，Wuhu? 241002，China）

Abstract：In this paper，the relative permittivity and relative magnetic permeability of a SiC sample are measured by coaxial microwave transmission and reflection method. The influence of the thickness of SiC absorbing material on the result of S parameter is simulated by computer microwave simulation software. The ceramic-metal welding process experiment of SiC absorbing material and metal material is carried out. And the problem of SiC absorbing material cracking caused by the mismatch between SiC with metal material expansion coefficient is solved through the experiment. It provides the basic conditions for the application of SiC absorbing materials in the large scientific device of particle accelerator.

Keywords：SiC;absorbing material;permittivity;magnetic permeability;welding

收稿日期：2021-03-08

0? 引? 言

隨著粒子加速器技術(shù)、核技術(shù)及應(yīng)用的快速發(fā)展，近年來，我國在多個主要省份和地區(qū)，開展了不同粒子種類、不同科學(xué)方向、不同應(yīng)用功能的粒子加速器大科學(xué)裝置的建設(shè)與戰(zhàn)略布局。2018年，上海硬X射線自由電子激光裝置（SHINE），在張江國家實驗室開工建設(shè)。2019年，北京高能同步輻射光源裝置（HEPS），在懷柔科學(xué)城動工建設(shè)。2017年，強流重離子加速器裝置（HIAF）和加速器驅(qū)動嬗變研究裝置（CiADS），落地廣東省惠州市。

2017年，中國科學(xué)院高能物理研究所提出了環(huán)形正負(fù)電子對撞機（CEPC）的設(shè)計與建設(shè)方案。CEPC是一個設(shè)計周長100 km的大型電子同步加速器，其高能物理實驗要求，對加速器的束流能量、流強和亮度都提出了很高要求，同時也對加速器建設(shè)所需的工程技術(shù)提出了更大挑戰(zhàn)[1-3]。

在CEPC的儲存環(huán)中，強流電子束通過高阻抗部件時會產(chǎn)生較強的束流尾場，如果不加以抑制，束流尾場的累積會導(dǎo)致束流品質(zhì)嚴(yán)重下降，進(jìn)一步導(dǎo)致加速器無法正常運行。CEPC的束流尾場頻譜較寬，并且主要集中在L波段以上的微波頻段。通常，在加速器中會使用微波吸收材料對束流尾場加以抑制。隨著近年來碳化硅（SiC）材料的快速發(fā)展，SiC材料展現(xiàn)出了良好的微波吸收特性，被越來越多的實驗室用于束流尾場的抑制。

微波真空器件產(chǎn)品是我公司的專業(yè)發(fā)展方向之一，自2015年以來陸續(xù)為國內(nèi)正在建設(shè)的大科學(xué)裝置項目配套研制交付了近百套微波真空器件系列的產(chǎn)品，包括用于微波能量注入的耦合器，用于束流尾場吸收的高次模吸收器裝置等。同時也針對國內(nèi)上述加速器領(lǐng)域大科學(xué)裝置項目前期預(yù)研項目開展了相關(guān)研究工作。本文主要介紹將SiC吸波材料應(yīng)用于大型粒子加速器中用于束流尾場吸收的相關(guān)研究進(jìn)展。

1? SiC的性能

隨著半導(dǎo)體工藝與材料科學(xué)的快速發(fā)展，SiC材料由于其具有更高的結(jié)構(gòu)強度，良好的熱導(dǎo)率以及高溫抗氧化性的特點在科技領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)不同的制備工藝，SiC材料的種類繁多，其中用于吸波類的SiC材料在微波頻段具備良好的微波吸收特性。對于微波介質(zhì)材料，通常使用相對介電常數(shù)（ε）和相對磁導(dǎo)率（μ）來描述其具體的微波性能。ε和μ可以使用式（1）來表述：

（1）

式中，ε和μ是復(fù)數(shù)，其中ε'和μ'反映微波介質(zhì)材料的微波透波能力，而ε''和μ''反映微波介質(zhì)材料的吸收微波能力。

微波介質(zhì)材料的微波損耗由式（2）描述：

（2）

式中，f是微波頻率，ε0和μ0是真空下的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。由此可以看出，在電場和磁場一定的情況下，介質(zhì)材料的ε''和μ''越大，則介質(zhì)材料的微波吸波能力也就越強。

為了準(zhǔn)確反映微波介質(zhì)材料吸波性能的優(yōu)劣，需要對材料進(jìn)行電磁參數(shù)的測試，即測量材料在微波傳輸頻率范圍內(nèi)的相對介電參數(shù)和相對磁導(dǎo)率。針對測試頻段較寬的需求，通常使用同軸傳輸反射法對材料進(jìn)行電磁參數(shù)測試[4，5]。測試中，需要使用同軸類型的微波傳輸線作為測試夾具，并在夾具中同軸傳輸線的內(nèi)外導(dǎo)體之間放置一塊需要測試的介質(zhì)材料樣品，通過測試整個夾具的S參數(shù)進(jìn)而計算出介質(zhì)材料的電磁參數(shù)指標(biāo)。

本文利用同軸型微波材料電磁參數(shù)測試系統(tǒng)，對SiC材料進(jìn)行了電磁參數(shù)測試，測試使用了同軸線測試夾具，測試使用的SiC樣品如圖1所示。在0～3 GHz頻段內(nèi)，材料的相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率測試結(jié)果（如圖2）顯示，SiC材料的ε''較大，而μ''幾乎為0。由測試結(jié)果可以看出，SiC材料對電場有很強的吸收作用，相反對磁場的吸收很弱。

SiC材料在吸收微波時，會將微波能量轉(zhuǎn)化為熱能。由于SiC具備較好的導(dǎo)熱性，所以在工作中可以把體損耗的熱量快速通過其他與之接觸的金屬材料導(dǎo)走，有利于材料的自身散熱，從而保證在大功率吸收時材料自身溫度不會過高，也不會因為受熱不均而導(dǎo)致SiC吸波材料本身的損壞。

2? SiC結(jié)構(gòu)優(yōu)化

SiC材料一方面具備較高的ε''，另一方面其ε'也比較大。在實際應(yīng)用中，較大的ε'會在材料分界面處引起較大的微波反射。針對這一特點，在設(shè)計包含SiC材料的微波器件時，需要對SiC材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

以同軸線結(jié)構(gòu)為例，建立包含SiC材料的微波仿真計算三維模型，如圖3所示。在同軸線的中心填充一部分SiC材料，SiC的厚度將對結(jié)構(gòu)的S參數(shù)產(chǎn)生影響。不同厚度下，S參數(shù)的計算結(jié)果如圖4所示。可以看出，隨著SiC厚度t的增加，系統(tǒng)的反射系數(shù)S11逐漸增大。

根據(jù)S參數(shù)可以進(jìn)一步計算系統(tǒng)內(nèi)SiC的功率損耗，對于雙端口系統(tǒng)，其公式為

Ploss=1-S112-S212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

其中Ploss代表SiC的損耗功率比例。

根據(jù)式（3），SiC損耗功率比例的計算結(jié)果如圖5所示。可以看到，隨著SiC厚度的增加，系統(tǒng)內(nèi)SiC的損耗功率也逐步增加，這是由于SiC是體損耗所致。

綜上所述，隨著SiC厚度增加，一方面系統(tǒng)內(nèi)損耗功率增加，這是我們期望的結(jié)果，另一方面系統(tǒng)的發(fā)射功率增大，這是我們不期望的結(jié)果。在實際使用時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)系統(tǒng)的匹配情況，酌情選取SiC的厚度，從而維持系統(tǒng)內(nèi)損耗功率與反射功率的平衡。

3? SiC焊接工藝

在粒子加速器中，為了吸收束流激發(fā)的尾場，SiC材料需要固定在束流管道的內(nèi)壁。由于加速器需要工作在超高真空環(huán)境中，導(dǎo)電膠在真空下放氣量很大，所以常規(guī)的粘接方法并不適用。對于高流強加速器，束流激發(fā)的尾場功率較高，有時會有幾個千瓦。如此高的功率被SiC吸收后，需要快速將熱量導(dǎo)走，只是單純的接觸傳熱并不能滿足要求。針對上述要求，SiC需要焊接在束流管道內(nèi)壁。SiC的焊接通常使用釬焊，這有兩點好處：一方面，釬焊使用金屬焊料，金屬在超高真空下放氣量較低;另一方面，金屬焊料熱導(dǎo)率高，焊接后有利于SiC與束流管道之間的熱傳導(dǎo)。

SiC作為一種陶瓷類材料，其熱膨脹系數(shù)極低。而束流管道通常使用不銹鋼或無氧銅這類金屬，此類金屬熱膨脹系數(shù)較大。以無氧銅為例，無氧銅的熱膨脹系數(shù)大約是SiC的6倍。熱膨脹系數(shù)的巨大差異，將給釬焊帶來很大困難。在真空爐內(nèi)升到高溫后，SiC幾乎不膨脹，而無氧銅將發(fā)生較大膨脹，焊料融化后幾乎原狀的SiC與膨脹后的無氧銅粘接在一起，當(dāng)恢復(fù)到室溫后無氧銅會發(fā)生大范圍收縮，這一過程會產(chǎn)生很強的焊接應(yīng)力，從而導(dǎo)致焊接后SiC碎裂。SiC與金屬直接焊接后的照片如圖6所示，可以看到焊接后SiC碎裂嚴(yán)重，并且金屬基板也有明顯變形。

為了降低焊接應(yīng)力，需要在SiC和金屬之間設(shè)計過渡結(jié)構(gòu)。在嘗試了多種過渡結(jié)構(gòu)后，通過優(yōu)化過渡結(jié)構(gòu)的形狀和強度，可以控制過渡結(jié)構(gòu)在焊接過程中的形變量，從而使SiC與金屬之間的焊接應(yīng)力在過渡結(jié)構(gòu)上得到釋放。焊接成功的SiC與金屬組件如圖7所示，SiC材料完好無損，并且底層金屬基板也未產(chǎn)生較大形變。

4? 結(jié)? 論

本文通過測量SiC材料的電磁參數(shù)，揭示了SiC材料的微波損耗機制。基于測量的電磁參數(shù)，結(jié)合應(yīng)用場景，對SiC材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真優(yōu)化，闡述了SiC結(jié)構(gòu)設(shè)計對系統(tǒng)功率損耗和功率反射的影響。針對粒子加速器中的使用需求，探索了SiC的焊接工藝，通過過渡結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了SiC與金屬材料的釬焊。本文的工作，將為SiC材料在粒子加速器大科學(xué)裝置中的工程應(yīng)用，提供必要的研究基礎(chǔ)。

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作者簡介：李榮（1984—），男，土族，青海樂都人，工程師，本科，研究方向：微波真空器件。