碳化硅（SiC）材料在粒子加速器裝置中的應用研究

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和相對磁導率。通過計算機微波仿真軟件進行了SiC吸波材料的厚度對S參數結果影響的仿真計算。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不匹配導致的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裝置中應用提供了基礎條件。

關鍵詞：SiC;吸波材料;介電常數;磁導率;焊接

中圖分類號：TP391.9? ? ? ?文獻標識碼：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、核技術及應用的快速發展，近年來，我國在多個主要省份和地區，開展了不同粒子種類、不同科學方向、不同應用功能的粒子加速器大科學裝置的建設與戰略布局。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。2019年，北京高能同步輻射光源裝置（HEPS），在懷柔科學城動工建設。2017年，強流重離子加速器裝置（HIAF）和加速器驅動嬗變研究裝置（CiADS），落地廣東省惠州市。

2017年，中國科學院高能物理研究所提出了環形正負電子對撞機（CEPC）的設計與建設方案。CEPC是一個設計周長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所需的工程技術提出了更大挑戰[1-3]。

在CEPC的儲存環中，強流電子束通過高阻抗部件時會產生較強的束流尾場，如果不加以抑制，束流尾場的累積會導致束流品質嚴重下降，進一步導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）材料的快速發展，SiC材料展現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。

微波真空器件產品是我公司的專業發展方向之一，自2015年以來陸續為國內正在建設的大科學裝置項目配套研制交付了近百套微波真空器件系列的產品，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。同時也針對國內上述加速器領域大科學裝置項目前期預研項目開展了相關研究工作。本文主要介紹將SiC吸波材料應用于大型粒子加速器中用于束流尾場吸收的相關研究進展。

1? SiC的性能

隨著半導體工藝與材料科學的快速發展，SiC材料由于其具有更高的結構強度，良好的熱導率以及高溫抗氧化性的特點在科技領域得到了廣泛應用。根據不同的制備工藝，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。對于微波介質材料，通常使用相對介電常數（ε）和相對磁導率（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是復數，其中ε'和μ'反映微波介質材料的微波透波能力，而ε''和μ''反映微波介質材料的吸收微波能力。

微波介質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和磁導率。由此可以看出，在電場和磁場一定的情況下，介質材料的ε''和μ''越大，則介質材料的微波吸波能力也就越強。

為了準確反映微波介質材料吸波性能的優劣，需要對材料進行電磁參數的測試，即測量材料在微波傳輸頻率范圍內的相對介電參數和相對磁導率。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行電磁參數測試[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外導體之間放置一塊需要測試的介質材料樣品，通過測試整個夾具的S參數進而計算出介質材料的電磁參數指標。

本文利用同軸型微波材料電磁參數測試系統，對SiC材料進行了電磁參數測試，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，材料的相對介電常數和相對磁導率測試結果（如圖2）顯示，SiC材料的ε''較大，而μ''幾乎為0。由測試結果可以看出，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，會將微波能量轉化為熱能。由于SiC具備較好的導熱性，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致SiC吸波材料本身的損壞。

2? SiC結構優化

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，在設計包含SiC材料的微波器件時，需要對SiC材料進行結構優化。

以同軸線結構為例，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的厚度將對結構的S參數產生影響。不同厚度下，S參數的計算結果如圖4所示。可以看出，隨著SiC厚度t的增加，系統的反射系數S11逐漸增大。

根據S參數可以進一步計算系統內SiC的功率損耗，對于雙端口系統，其公式為

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

其中Ploss代表SiC的損耗功率比例。

根據式（3），SiC損耗功率比例的計算結果如圖5所示。可以看到，隨著SiC厚度的增加，系統內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，一方面系統內損耗功率增加，這是我們期望的結果，另一方面系統的發射功率增大，這是我們不期望的結果。在實際使用時，應當根據系統的匹配情況，酌情選取SiC的厚度，從而維持系統內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，為了吸收束流激發的尾場，SiC材料需要固定在束流管道的內壁。由于加速器需要工作在超高真空環境中，導電膠在真空下放氣量很大，所以常規的粘接方法并不適用。對于高流強加速器，束流激發的尾場功率較高，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，金屬焊料熱導率高，焊接后有利于SiC與束流管道之間的熱傳導。

SiC作為一種陶瓷類材料，其熱膨脹系數極低。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較大。以無氧銅為例，無氧銅的熱膨脹系數大約是SiC的6倍。熱膨脹系數的巨大差異，將給釬焊帶來很大困難。在真空爐內升到高溫后，SiC幾乎不膨脹，而無氧銅將發生較大膨脹，焊料融化后幾乎原狀的SiC與膨脹后的無氧銅粘接在一起，當恢復到室溫后無氧銅會發生大范圍收縮，這一過程會產生很強的焊接應力，從而導致焊接后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碎裂嚴重，并且金屬基板也有明顯變形。

為了降低焊接應力，需要在SiC和金屬之間設計過渡結構。在嘗試了多種過渡結構后，通過優化過渡結構的形狀和強度，可以控制過渡結構在焊接過程中的形變量，從而使SiC與金屬之間的焊接應力在過渡結構上得到釋放。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生較大形變。

4? 結? 論

本文通過測量SiC材料的電磁參數，揭示了SiC材料的微波損耗機制。基于測量的電磁參數，結合應用場景，對SiC材料的結構進行了仿真優化，闡述了SiC結構設計對系統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，通過過渡結構實現了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裝置中的工程應用，提供必要的研究基礎。

參考文獻：

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[3] 胡守揚，梁浩，周靜，等.希格斯粒子衰變的分支比模擬 [J].中國原子能科學研究院年報，2015（00）：73-74.

[4] 張軍英，張雨，姜維維.微波材料的電磁參數測試方法 [J].工程塑料應用，2012，40（5）：107-110.

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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。