碳化硅（SiC）材料在粒子加速器装置中的应用研究

摘要：文章采用同轴微波传输反射法测试了某种SiC样品的相对介电常数和相对磁导率。通过计算机微波仿真软件进行了SiC吸波材料的厚度对S参数结果影响的仿真计算。开展了SiC吸波材料与金属材料的陶瓷金属焊接工艺试验，通过试验解决了SiC与金属材料膨胀系数不匹配导致的SiC吸波材料开裂的问题。为SiC吸波材料在粒子加速器大科学装置中应用提供了基础条件。

关键词：SiC;吸波材料;介电常数;磁导率;焊接

中图分类号：TP391.9       文献标识码：A     文章编号：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

随着粒子加速器技术、核技术及应用的快速发展，近年来，我国在多个主要省份和地区，开展了不同粒子种类、不同科学方向、不同应用功能的粒子加速器大科学装置的建设与战略布局。2018年，上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE），在张江国家实验室开工建设。2019年，北京高能同步辐射光源装置（HEPS），在怀柔科学城动工建设。2017年，强流重离子加速器装置（HIAF）和加速器驱动嬗变研究装置（CiADS），落地广东省惠州市。

2017年，中国科学院高能物理研究所提出了环形正负电子对撞机（CEPC）的设计与建设方案。CEPC是一个设计周长100 km的大型电子同步加速器，其高能物理实验要求，对加速器的束流能量、流强和亮度都提出了很高要求，同时也对加速器建设所需的工程技术提出了更大挑战[1-3]。

在CEPC的储存环中，强流电子束通过高阻抗部件时会产生较强的束流尾场，如果不加以抑制，束流尾场的累积会导致束流品质严重下降，进一步导致加速器无法正常运行。CEPC的束流尾场频谱较宽，并且主要集中在L波段以上的微波频段。通常，在加速器中会使用微波吸收材料对束流尾场加以抑制。随着近年来碳化硅（SiC）材料的快速发展，SiC材料展现出了良好的微波吸收特性，被越来越多的实验室用于束流尾场的抑制。

微波真空器件产品是我公司的专业发展方向之一，自2015年以来陆续为国内正在建设的大科学装置项目配套研制交付了近百套微波真空器件系列的产品，包括用于微波能量注入的耦合器，用于束流尾场吸收的高次模吸收器装置等。同时也针对国内上述加速器领域大科学装置项目前期预研项目开展了相关研究工作。本文主要介绍将SiC吸波材料應用于大型粒子加速器中用于束流尾场吸收的相关研究进展。

1  SiC的性能

随着半导体工艺与材料科学的快速发展，SiC材料由于其具有更高的结构强度，良好的热导率以及高温抗氧化性的特点在科技领域得到了广泛应用。根据不同的制备工艺，SiC材料的种类繁多，其中用于吸波类的SiC材料在微波频段具备良好的微波吸收特性。对于微波介质材料，通常使用相对介电常数（ε）和相对磁导率（μ）来描述其具体的微波性能。ε和μ可以使用式（1）来表述：

（1）

式中，ε和μ是复数，其中ε'和μ'反映微波介质材料的微波透波能力，而ε''和μ''反映微波介质材料的吸收微波能力。

微波介质材料的微波损耗由式（2）描述：

（2）

式中，f是微波频率，ε0和μ0是真空下的介电常数和磁导率。由此可以看出，在电场和磁场一定的情况下，介质材料的ε''和μ''越大，则介质材料的微波吸波能力也就越强。

为了准确反映微波介质材料吸波性能的优劣，需要对材料进行电磁参数的测试，即测量材料在微波传输频率范围内的相对介电参数和相对磁导率。针对测试频段较宽的需求，通常使用同轴传输反射法对材料进行电磁参数测试[4，5]。测试中，需要使用同轴类型的微波传输线作为测试夹具，并在夹具中同轴传输线的内外导体之间放置一块需要测试的介质材料样品，通过测试整个夹具的S参数进而计算出介质材料的电磁参数指标。

本文利用同轴型微波材料电磁参数测试系统，对SiC材料进行了电磁参数测试，测试使用了同轴线测试夹具，测试使用的SiC样品如图1所示。在0～3 GHz频段内，材料的相对介电常数和相对磁导率测试结果（如图2）显示，SiC材料的ε''较大，而μ''几乎为0。由测试结果可以看出，SiC材料对电场有很强的吸收作用，相反对磁场的吸收很弱。

SiC材料在吸收微波时，会将微波能量转化为热能。由于SiC具备较好的导热性，所以在工作中可以把体损耗的热量快速通过其他与之接触的金属材料导走，有利于材料的自身散热，从而保證在大功率吸收时材料自身温度不会过高，也不会因为受热不均而导致SiC吸波材料本身的损坏。

2  SiC结构优化

SiC材料一方面具备较高的ε''，另一方面其ε'也比较大。在实际应用中，较大的ε'会在材料分界面处引起较大的微波反射。针对这一特点，在设计包含SiC材料的微波器件时，需要对SiC材料进行结构优化。

以同轴线结构为例，建立包含SiC材料的微波仿真计算三维模型，如图3所示。在同轴线的中心填充一部分SiC材料，SiC的厚度将对结构的S参数产生影响。不同厚度下，S参数的计算结果如图4所示。可以看出，随着SiC厚度t的增加，系统的反射系数S11逐渐增大。

根据S参数可以进一步计算系统内SiC的功率损耗，对于双端口系统，其公式为

Ploss=1-S112-S212                          （3）

其中Ploss代表SiC的损耗功率比例。

根据式（3），SiC损耗功率比例的计算结果如图5所示。可以看到，随着SiC厚度的增加，系统内SiC的损耗功率也逐步增加，这是由于SiC是体损耗所致。

综上所述，随着SiC厚度增加，一方面系统内损耗功率增加，这是我们期望的结果，另一方面系统的发射功率增大，这是我们不期望的结果。在实际使用时，应当根据系统的匹配情况，酌情选取SiC的厚度，从而维持系统内损耗功率与反射功率的平衡。

3  SiC焊接工艺

在粒子加速器中，为了吸收束流激发的尾场，SiC材料需要固定在束流管道的内壁。由于加速器需要工作在超高真空环境中，导电胶在真空下放气量很大，所以常规的粘接方法并不适用。对于高流强加速器，束流激发的尾场功率较高，有时会有几个千瓦。如此高的功率被SiC吸收后，需要快速将热量导走，只是单纯的接触传热并不能满足要求。针对上述要求，SiC需要焊接在束流管道内壁。SiC的焊接通常使用钎焊，这有两点好处：一方面，钎焊使用金属焊料，金属在超高真空下放气量较低;另一方面，金属焊料热导率高，焊接后有利于SiC与束流管道之间的热传导。

SiC作为一种陶瓷类材料，其热膨胀系数极低。而束流管道通常使用不锈钢或无氧铜这类金属，此类金属热膨胀系数较大。以无氧铜为例，无氧铜的热膨胀系数大约是SiC的6倍。热膨胀系数的巨大差异，将给钎焊带来很大困难。在真空炉内升到高温后，SiC几乎不膨胀，而无氧铜将发生较大膨胀，焊料融化后几乎原状的SiC与膨胀后的无氧铜粘接在一起，当恢复到室温后无氧铜会发生大范围收缩，这一过程会产生很强的焊接应力，从而导致焊接后SiC碎裂。SiC与金属直接焊接后的照片如图6所示，可以看到焊接后SiC碎裂严重，并且金属基板也有明显变形。

为了降低焊接应力，需要在SiC和金属之间设计过渡结构。在尝试了多种过渡结构后，通过优化过渡结构的形状和强度，可以控制过渡结构在焊接过程中的形变量，从而使SiC与金属之间的焊接应力在过渡结构上得到释放。焊接成功的SiC与金属组件如图7所示，SiC材料完好无损，并且底层金属基板也未产生较大形变。

4  结  论

本文通过测量SiC材料的电磁参数，揭示了SiC材料的微波损耗机制。基于测量的电磁参数，结合应用场景，对SiC材料的结构进行了仿真优化，阐述了SiC结构设计对系统功率损耗和功率反射的影响。针对粒子加速器中的使用需求，探索了SiC的焊接工艺，通过过渡结构实现了SiC与金属材料的钎焊。本文的工作，将为SiC材料在粒子加速器大科学装置中的工程应用，提供必要的研究基础。

参考文献：

[1] 高杰.CEPC-SppC加速器——从概念设计到技术设计 [J].现代物理知识，2020，32（1）：18-26.

[2] 阮曼奇，李刚，王悦心.CEPC上的物理和探测器 [J].现代物理知识，2020，32（1）：8-17.

[3] 胡守扬，梁浩，周静，等.希格斯粒子衰变的分支比模拟 [J].中国原子能科学研究院年报，2015（00）：73-74.

[4] 张军英，张雨，姜维维.微波材料的电磁参数测试方法 [J].工程塑料应用，2012，40（5）：107-110.

[5] 何小瓦，李恩，张其劭，等.介质材料复介电常数变温测量技术综述 [J].宇航材料工艺，2005（1）：20-23.

作者简介：李荣（1984—），男，土族，青海乐都人，工程师，本科，研究方向：微波真空器件。