在十厘米尺度的圓柱形聚四氟乙烯探測(cè)器內(nèi)壁涂敷TPB的初步研究*

歐陽(yáng)澤邦 彭朝華 鄭健 梁卓 周江楓 趙修良 廖俊輝?

1)(南華大學(xué),核科學(xué)技術(shù)學(xué)院,衡陽(yáng) 421001)

2)(中國(guó)原子能科學(xué)研究院,核物理研究所,北京 102413)

液氦時(shí)間投影室(ALETHEIA)是一個(gè)原創(chuàng)的低質(zhì)量(100 MeV/c2—10 GeV/c2)暗物質(zhì)探測(cè)裝置.入射粒子在液氦時(shí)間投影室中與液氦發(fā)生相互作用會(huì)產(chǎn)生80 nm 長(zhǎng)的閃爍光.目前尚無(wú)商用光電讀出器件可以直接高效讀取該閃爍光.為此,需要波長(zhǎng)遷移劑(wavelength shifter)先將其轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光,然后再用商用光電讀出器件探測(cè)之.在參考國(guó)際相關(guān)類似涂敷試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上,利用改進(jìn)的氣相沉積法成功地在直徑和高度均為10 cm的圓柱形聚四氟乙烯(PTFE)容器內(nèi)壁涂敷1.50—3.02 μm.厚的TPB(tetraphenyl butadiene,1,1,4,4-四苯基-1,3-丁二烯)涂層.此工藝方法對(duì)其他需要在圓柱形探測(cè)器內(nèi)壁涂敷TPB 或者其他類似材料的試驗(yàn)具有參考價(jià)值.本文對(duì)TPB 涂層的涂敷原理、盛放TPB 粉末的源的設(shè)計(jì)、涂敷工藝、涂層厚度監(jiān)測(cè)等方面進(jìn)行闡述.

1 引言

1.1 背景介紹

暗物質(zhì)(dark matter,DM)是當(dāng)今基礎(chǔ)物理學(xué)屆最亟須理解和回答證實(shí)的重要科學(xué)問(wèn)題之一.暗物質(zhì)存在的天文學(xué)證據(jù)是廣泛而可靠的[1?5].但目前人類對(duì)暗物質(zhì)的粒子物理特性仍然知之甚少.暗物質(zhì)占宇宙物質(zhì)總質(zhì)量的85%左右,且不屬于任何已知標(biāo)準(zhǔn)模型粒子,它應(yīng)該參與引力相互作用,可能參與弱相互作用,肯定不參與強(qiáng)相互作用和電磁相互作用.暗物質(zhì)的模型很多,目前研究最多的是弱相互作用重質(zhì)量粒子(weakly interacting massive particles,WIMPs),在暗物質(zhì)直接探測(cè)領(lǐng)域內(nèi),其質(zhì)量一般認(rèn)為在10 MeV/c2—10 TeV/ c2之間.如無(wú)特殊說(shuō)明,下文暗物質(zhì)即特指WIMPs.

暗物質(zhì)探測(cè)涉及宇宙學(xué)、粒子天體物理、粒子物理和核物理等相關(guān)學(xué)科,是典型的交叉學(xué)科研究.對(duì)暗物質(zhì)的探測(cè)分為地下實(shí)驗(yàn)室直接探測(cè)、空間間接探測(cè)以及在對(duì)撞機(jī)上的尋找.直接探測(cè)指在地下實(shí)驗(yàn)室測(cè)試WIMPs 粒子與探測(cè)器的核子之間發(fā)生相互作用后可能產(chǎn)生的信號(hào);間接探測(cè)主要在地球外太空尋找暗物質(zhì)的湮滅或衰變信號(hào);在對(duì)撞機(jī)上的尋找是捕捉高能粒子對(duì)撞后產(chǎn)生的末態(tài)粒子存在的“消失的”能量.我國(guó)科學(xué)家在上述3 個(gè)方面都有努力探索.在直接探測(cè)領(lǐng)域內(nèi)有由清華大學(xué)等參與的CDEX[6](China dark matter experiment)實(shí)驗(yàn)和由上海交大等參與的PandaX[7](particle and astrophysical xenon detector)實(shí)驗(yàn);在間接探測(cè)領(lǐng)域內(nèi)有DAMPE(dark matter particle explorer)實(shí)驗(yàn)[8];我國(guó)科學(xué)家們還在位于瑞士、法國(guó)邊境的LHC(large hardon collider)對(duì)撞機(jī)上的ATLAS(a toroidal LHC apparatus)和CMS(compact muon solenoid)實(shí)驗(yàn)從事暗物質(zhì)尋找[9].

得益于更好的本底控制技術(shù)以及精心設(shè)計(jì)的探測(cè)器系統(tǒng),地下實(shí)驗(yàn)室直接尋找目前是在SI(spin independent)模型下靈敏度最高的暗物質(zhì)探測(cè)方式.這里的探測(cè)指是測(cè)量暗物質(zhì)與物質(zhì)核子間可能存在的相互作用的截面大小.目前處于活躍狀態(tài)的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)大概有三十多個(gè).如果以技術(shù)路線為分類標(biāo)準(zhǔn),這些實(shí)驗(yàn)大致可以分為液氙時(shí)間投影室、液氬時(shí)間投影室、超低溫探測(cè)器、半導(dǎo)體探測(cè)器、以及閃爍體(晶體)探測(cè)器.按照物理目標(biāo),這些實(shí)驗(yàn)可以分為低質(zhì)量暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)和高質(zhì)量暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn);一般而言,質(zhì)量在10 MeV/c2—10 GeV/c2區(qū)間的是低質(zhì)量暗物質(zhì),10 GeV/c2—10 TeV/c2之間是高質(zhì)量暗物質(zhì).以液氙、液氬時(shí)間投影室技術(shù)為代表的高質(zhì)量暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)如DarkSide,LZ(LUXZEPLIN),PandaX,XENON 等交替引領(lǐng)著高質(zhì)量暗物質(zhì)的最高靈敏度,即暗物質(zhì)與物質(zhì)核子間的最小作用截面.這里的最小作用截面指的是90%置信度(confidence level)下的作用截面上限,下同.截至本文章提交之時(shí),最低作用截面是LZ設(shè)置的5.9× 10–48cm2[10],對(duì)應(yīng)的暗物質(zhì)質(zhì)量為30 GeV/c2.對(duì)低質(zhì)量暗物質(zhì)探測(cè),現(xiàn)有的探測(cè)器一般采用的是超低溫(幾十mK)的固體探測(cè)器或者工作在液氮溫度的半導(dǎo)體探測(cè)器,目前的最小截面大約是10–40cm2.

ALETHEIA是第1 個(gè)在低質(zhì)量暗物質(zhì)領(lǐng)域內(nèi)采用時(shí)間投影室技術(shù)的實(shí)驗(yàn),并有望成為在該領(lǐng)域內(nèi)最靈敏的探測(cè)裝置.由于世界上尚沒(méi)有人成功研制過(guò)液氦時(shí)間投影室,因此需要從零開(kāi)始預(yù)研.本文所介紹的波長(zhǎng)遷移劑TPB 涂敷即屬于預(yù)研的一部分.

入射粒子與液氦發(fā)生相互作用、沉積能量后;部分沉積能量將轉(zhuǎn)換為閃爍光,其波長(zhǎng)中心值為80 nm.目前市場(chǎng)上尚無(wú)商用光電探測(cè)器可以高效探測(cè)波長(zhǎng)為80 nm的光子.波長(zhǎng)遷移劑TPB(tetraphenyl butadiene,1,1,4,4-四苯基–1,3-丁二烯)分子在吸收80 nm的閃爍光之后被激發(fā),退激后可有效地將此光子轉(zhuǎn)換為450 nm 左右的可見(jiàn)光.TPB在常溫狀態(tài)下呈粉末狀,加熱到一定溫度后將蒸發(fā)成氣體分子,TPB 分子與待涂敷表面接觸后冷卻下來(lái)從而沉積于其上.本文將介紹如何把TPB 均勻涂敷在一個(gè)10 cm 尺度的圓柱聚四氟乙烯小室內(nèi)表面,涂敷厚度約為3 μm.此項(xiàng)工作的關(guān)鍵技術(shù)是設(shè)計(jì)制作一個(gè)表面均勻開(kāi)孔內(nèi)盛TPB 粉末的球形源,以保證加熱后蒸發(fā)的TPB 分子從該源內(nèi)以各向同性的方式向外慢速擴(kuò)散;并設(shè)法使得蒸鍍過(guò)程中TPB的涂敷速度一直保持恒定.本試驗(yàn)獲得的TPB 涂層在紫外手電照射下目測(cè)未發(fā)現(xiàn)存在類似于涂層脫落導(dǎo)致的斑紋等現(xiàn)象.

1.2 ALETHEIA 實(shí)驗(yàn)及原型機(jī)探測(cè)器介紹

ALETHEIA 實(shí)驗(yàn)將采用雙相時(shí)間投影室技術(shù),以液氦為探測(cè)器靶物質(zhì).ALETHEIA是世界上第1 個(gè)采用投影室技術(shù)的低質(zhì)量暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn).關(guān)于該項(xiàng)目的詳細(xì)介紹,請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[11].

正是由于ALETHEIA的原創(chuàng)性,沒(méi)有直接經(jīng)驗(yàn)可以借鑒.為了深入了解其性能,需要開(kāi)啟一系列的預(yù)研工作.筆者團(tuán)隊(duì)在中國(guó)原子能科學(xué)研究院設(shè)計(jì)、制作、測(cè)試了第一個(gè)原型機(jī)-V1 探測(cè)器,如圖1 所示.該原型機(jī)的主要目的是獲得建造液氦探測(cè)器的相關(guān)經(jīng)驗(yàn),即驗(yàn)證自制的探測(cè)器在液氦狀態(tài)下能否工作、在外加高電壓下探測(cè)器的暗電流是否足夠小等關(guān)鍵技術(shù).在解決了許多技術(shù)挑戰(zhàn)后(有關(guān)詳細(xì)信息參考文獻(xiàn)[12]),于2021 年夏天終于成功將探測(cè)器冷卻到液氦溫度,如圖2 所示.圖2 左上角屏幕顯示的是30 g 探測(cè)器底部的溫度,該溫度傳感器置于液氦小室的底板外側(cè),沒(méi)有浸入液氦中,因此其溫度值為4.91 K,略高于液氦溫度4.5 K;右上角的屏幕顯示了不銹鋼真空容器內(nèi)部的真空度,7.6× 10–5Pa;右下角的屏幕顯示了液氦在探測(cè)器中的高度為3.26 cm;左下角的屏幕分別顯示30 g 探測(cè)器頂部的溫度(5.4763 K)和銅容器中的氦氣溫度(15.4325 K),圖2 顯示的數(shù)據(jù)從多方面證明了液氦探測(cè)器達(dá)到了液氦溫度.

圖1 30 g LHe 原型機(jī)-V1 及其零件圖(a)在中國(guó)原子能科學(xué)研究院設(shè)計(jì)和制作的30 g 液氦原型機(jī)-V1;(b)真空容器內(nèi)部;(c)30 g 液氦小室;(d)將30 g 液氦小室拆開(kāi)后的零件Fig.1.The anatomy of the first version of the house-made 30 g LHe detector:(a)The first version of the 30 g LHe detector system designed,assembled,and tested at CIAE;(b)the inner side of the vacuum vessel;(c)the 30 g LHe cell;(d)the parts of the 30 g LHe cell.

圖2 30 g LHe 原型機(jī)-V1 冷卻到液氦溫度時(shí)的儀器示數(shù)Fig.2.Instrument readings of 30 g LHe Prototype-V1cooled to liquid helium temperature.

在成功地將第一版本的30 g 液氦原型機(jī)冷卻到液氦溫度后,開(kāi)啟了30 g 液氦原型機(jī)-V2的研究.探測(cè)器的設(shè)計(jì)如圖3 所示,高電壓接頭用于接入直流高電壓使PTFE 液氦小室內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng);液氦容器用于盛放液氦,并與外部真空分隔;液氦小室整體浸泡在液氦容器中;液氮冷屏和氦氣冷屏的作用是隔熱,以減少液氦的蒸發(fā);氦氣冷屏中設(shè)有氦氣盤(pán)管,氦氣來(lái)自于液氦容器中的液氦因受熱而蒸發(fā)產(chǎn)生.該探測(cè)器系統(tǒng)的中心是一個(gè)盛有液氦的PTFE 小室,如圖4 所示,放射源支座用于固定放射源,兩個(gè)電極的材料是紫銅,用于在液氦小室內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)高壓勻強(qiáng)電場(chǎng);亞克力朝小室內(nèi)部的那一面從內(nèi)到外分別涂有TPB和氧化銦錫(indium tin oxide,ITO).TPB的作用是將液氦小室內(nèi)產(chǎn)生的80 nm 波長(zhǎng)的閃爍光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光.ITO是導(dǎo)電玻璃,一方面為小室提供電場(chǎng),另一方面將可見(jiàn)光傳導(dǎo)至亞克力.光子穿透亞克力后被硅光電管(silicon photomultiplier,SiPM)獲取.入射粒子與液氦相互作用產(chǎn)生真空紫外光(vacuum ultraviolet,VUV)的波長(zhǎng)峰值在80 nm(或16 eV)處,該波長(zhǎng)超出了目前商用光子探測(cè)器的高效探測(cè)范圍,因此需要用波長(zhǎng)遷移劑將其轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光再探測(cè).如文獻(xiàn)[13?19]所示,TPB 可以將液氦產(chǎn)生的閃爍光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光.根據(jù)文獻(xiàn)[20],厚度在0.7—3.7 μm之間的TPB 鍍膜對(duì)80 nm 閃爍光的轉(zhuǎn)換效率接近.

圖3 30 g LHe 原型機(jī)-V2 及其輔助設(shè)備的原理圖Fig.3.The schematic drawing of the 30 g V2 LHe prototype detector and its auxiliary system.

圖4 PTFE 液氦小室,直徑和高度均為10 cm(a)PTFE 小室剖面圖;(b)PTFE 小室實(shí)物圖Fig.4.The cylindrical shape LHe cell,made of PTFE,with the dimension of 10 cm for both diameter and height:(a)The schematic drawing of the 10 cm scale LHe cell,made of PTFE;(b)the house-made 10 cm scale PTFE LHe cell.

2 制備TPB 薄膜的研究現(xiàn)狀

在TPB 薄膜制備中,文獻(xiàn)[21,22]中使用了噴涂法,用TPB和溶劑的混合物噴涂到基板上再烘烤干燥,噴涂法優(yōu)勢(shì)在于操作簡(jiǎn)單和成本效益高,但其缺點(diǎn)很明顯,不能控制薄膜厚度且均勻性和純度較差.文獻(xiàn)[23]介紹了一種利用旋涂法在丙烯酸基板上制備TPB 薄膜的方法,此方法的均勻性方面較噴涂法更好,缺點(diǎn)是無(wú)法處理大型非圓形板.常用的氣相沉積法[24,25]工作于高真空環(huán)境中,可以精準(zhǔn)控制涂敷厚度,且涂層純度較高.傳統(tǒng)的氣相沉積法中,坩堝內(nèi)的靶材加熱后會(huì)優(yōu)先向上蒸發(fā),需要將涂敷的基板置于坩堝上方,且靶材利用率低,不適宜于均勻涂敷圓柱形空間的內(nèi)壁.文獻(xiàn)[25?27]利用氣相沉積方法對(duì)球形亞克力內(nèi)表面實(shí)現(xiàn)了厚度為2.3 μmTPB的均勻涂敷.本試驗(yàn)需要對(duì)圓柱形內(nèi)壁(包括桶狀部分以及上下端蓋)的均勻涂敷.在文獻(xiàn)[25?27]的基礎(chǔ)上,結(jié)合本實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)際情況,利用自制工裝和開(kāi)孔球形蒸發(fā)源,成功對(duì)直徑和高度均為10 cm的圓柱形PTFE 小室內(nèi)壁實(shí)現(xiàn)了兩次均勻涂敷.涂層厚度分別約為4 μm和3 μmTPB 涂敷原理圖見(jiàn)圖5.

圖5 TPB 涂敷高和直徑均為10 cm的圓柱體原理圖Fig.5.A schematic drawing shows the process of TPB coating in a 10 cm scale PTFE detector.

3 TPB 涂敷原理

PTFE 小室內(nèi)為一個(gè)直徑和高度均為10 cm的圓柱形空間,將一個(gè)表面均勻開(kāi)孔的球形TPB 蒸發(fā)源安裝在液氦小室內(nèi)中央位置,如圖6所示,源內(nèi)置一個(gè)用于盛放TPB的坩堝.涂敷的過(guò)程是TPB 分子達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程:從坩鍋蒸發(fā)的TPB 分子在源內(nèi)形成一個(gè)較高的氣壓P1,該氣壓高于源外的接近真空的氣壓P2,因此TPB 分子可以由源上的小孔擴(kuò)散至源外直至液氦小室內(nèi)壁.由于小室內(nèi)壁溫度是整個(gè)區(qū)域內(nèi)最低的(室溫—53 ℃之間,詳見(jiàn)5.1 節(jié)),因此TPB 分子與其接觸后溫度降低,不足以達(dá)到繼續(xù)移動(dòng)的條件從而附著于其上.被涂覆表面的粗糙度也會(huì)影響TPB 分子的附著,粗糙度最好為1—2 μm.源的大小、源上孔的分布以及孔直徑都會(huì)影響TPB 分子的動(dòng)態(tài)平衡,詳見(jiàn)文獻(xiàn)[25?27].在文獻(xiàn)[25?27]基礎(chǔ)上,計(jì)算并設(shè)計(jì)出了符合要求的源的相關(guān)尺寸,詳見(jiàn)4.1 節(jié).此外,為了保證整個(gè)內(nèi)壁涂敷均勻,從源內(nèi)蒸發(fā)出來(lái)的TPB 分子應(yīng)該以各向同性的方式向外擴(kuò)散.除了源上的孔必需在球面上均勻分布,還要求TPB 從蒸發(fā)成分子狀態(tài)到從源上的小孔擴(kuò)散出來(lái)這段時(shí)間內(nèi)必須是自由隨機(jī)運(yùn)動(dòng);為此,坩鍋的升溫不能太快,且加熱過(guò)程中蒸發(fā)速度必須保持穩(wěn)定,如沉積速度在5 ?/s 左右.在文獻(xiàn)[26] 基礎(chǔ)上,本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出了適宜的加溫方式,詳見(jiàn)5.2 節(jié).

圖6 TPB 源及其坩堝(a)TPB 源;(b)TPB 源內(nèi)的坩堝、加熱絲、溫度探頭;(c)TPB 源的剖面圖Fig.6.The source and crucible used for TPB coating:(a)The TPB source;(b)the crucible,heating cable,and temperature sensor;(c)the perspective view of the inside of the source.

4 TPB 涂敷裝置

4.1 TPB 源的設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)最終設(shè)計(jì)制作的TPB 源如圖6(a)所示.該源的主體部分是一個(gè)直徑5 cm、厚度2 mm的304 不銹鋼空心球殼.球體共有20 個(gè)孔徑為6 mm的孔,這些孔均勻分布在球面上,其位置是對(duì)應(yīng)于同直徑的內(nèi)接正十二面體的頂點(diǎn)位置.源內(nèi)的坩鍋是用0.1 mm 厚度的鉭片折疊成一個(gè)9 mm×9 mm× 10 mm的立方體.采用鉭片的原因是其性能穩(wěn)定且熔點(diǎn)高達(dá)2996 ℃.坩鍋用灰色硬質(zhì)特氟龍線將其固定并與源上蓋相連,如圖6(b)所示.坩堝通過(guò)源底部的臺(tái)座獲得來(lái)自球的熱量,而球殼外纏繞著直徑為2 mm、電阻為30 Ω的鎧裝加熱絲.通過(guò)調(diào)節(jié)加熱絲的電壓來(lái)控制其溫度.這樣的好處是確保源所在的球體溫度始終比坩堝高,以防止TPB 分子沉積在球體上;如果直接加熱坩鍋,源的溫度會(huì)比坩鍋低幾十度,部分TPB 分子會(huì)附著于其上,從而造成TPB 浪費(fèi).鎧裝加熱絲內(nèi)部為鎳絡(luò)合金加熱絲,封裝在一個(gè)用氧化鎂做電絕緣的不銹鋼護(hù)套中.

4.2 真空系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)的真空系統(tǒng)由氣體壓縮機(jī)、干泵、分子泵與分子泵控制器、真空室、真空規(guī)、真空計(jì)組成,如圖7 所示.一般在真空泵啟動(dòng)2 h后,真空室內(nèi)真空度可達(dá)3.5× 10–4Pa.膜厚儀(SCIENS SITM106[28])和兩個(gè)溫度計(jì)(CEM 華盛昌DT-610 B溫度計(jì)和FLUKE 52-2 型雙通道溫度計(jì)[29]),分別對(duì)膜厚與膜厚速率、加熱絲溫度與坩堝溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè).膜厚儀的工作原理通過(guò)石英晶片共振頻率的下降來(lái)測(cè)量沉積在晶片上的涂層厚度.在晶片的初始頻率不變的前提下,晶片上沉積的TPB 厚度越大,其共振頻率越低.因此,通過(guò)測(cè)試晶片的實(shí)際頻率就可以反推出TPB 涂層的厚度,試驗(yàn)中膜厚儀的參數(shù)設(shè)置成材料聲阻比為2.12,材料密度為1.08,比例系數(shù)為1.0.石英膜厚探頭安裝在工裝部分的端蓋內(nèi).FLUKE 溫度計(jì)兩個(gè)溫度探頭中的一個(gè)安裝在坩堝邊緣用鉭片和銅絲纏住固定,另一個(gè)卡在鎧裝加熱絲和球殼之間.CEM 溫度計(jì)的探頭插入坩堝內(nèi)的粉末中作為坩堝溫度的輔助測(cè)試,如圖6(b)所示.連接鎧裝加熱絲的電源為一個(gè)電壓調(diào)節(jié)范圍為0—250 V的變壓器,通過(guò)調(diào)節(jié)輸入電壓就可調(diào)整加熱絲的功率.

圖7 TPB 涂敷試驗(yàn)的部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.7.The controlling and monitoring system of TPB coating.

4.3 工裝

為解決源和膜厚探頭的安裝問(wèn)題,并提高涂敷均勻性,加工制作了一套工裝,如圖8 所示.該圖展示了工裝的上端蓋部分以及石英探頭的安裝位置,膜厚探頭從工裝端蓋側(cè)面進(jìn)入小室,檢測(cè)窗口朝下并固定在端蓋上.

圖8 為TPB 涂敷專門設(shè)計(jì)和制作的工裝上端蓋(視角為從下往上)Fig.8.The specially designed and built upper base used for TPB coating(looking from inside).

對(duì)于一個(gè)圓柱形內(nèi)壁的TPB 涂敷分兩次完成.第1 次對(duì)小室的桶部和下端蓋的內(nèi)表面進(jìn)行涂敷,把工裝安裝在上端蓋位置,如圖9(a)所示;第2 次是對(duì)小室的上端蓋涂敷,把工裝安裝在輔助小室(輔助小室的直徑和高度均為10 cm,與待涂敷小室尺寸完全一致)的下端蓋位置,待涂敷的上端蓋放在輔助小室的上端蓋.保持兩次涂敷的工藝、步驟、TPB 用量等完全一致,經(jīng)過(guò)兩次涂敷,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小室的整個(gè)內(nèi)表面都涂敷相同厚度的TPB,如3 μm.原則上來(lái)說(shuō),如果一次涂敷就可以使得圓柱體所有內(nèi)表面獲得均勻厚度將會(huì)是更簡(jiǎn)單的解決方案,但實(shí)際上這是難以實(shí)現(xiàn)的.原因是涂敷所必需的輔助工裝(圖6(a)和(b)所示)的存在,使得其表面難以避免地存留有部分TPB,從而使得工裝所在的那個(gè)端蓋內(nèi)表面的TPB 厚度與內(nèi)壁其他區(qū)域不一致.

圖9 涂敷試驗(yàn)的裝配示意圖,圖中未畫(huà)加熱絲、探頭和導(dǎo)線,表面為藍(lán)色的區(qū)域?yàn)樾∈业耐糠蟊砻?a)對(duì)小室桶部和下端蓋的涂敷(藍(lán)色區(qū)域);(b)對(duì)小室上端蓋的涂敷(藍(lán)色區(qū)域)Fig.9.The assembly diagrams of TPB coating:(a)Coating on the inner wall of the curved surface and a base,as the blue region shows;(b)coating on another base,as shown on the blue area.

5 TPB 涂敷試驗(yàn)

5.1 準(zhǔn)備測(cè)試

在正式涂敷前,對(duì)加熱溫度進(jìn)行系列試驗(yàn).首先測(cè)試在加熱過(guò)程中,通過(guò)熱輻射使液氦小室內(nèi)壁升溫是否超過(guò)亞克力(PMMA)的最高工作溫度85 ℃.PTFE的耐熱溫度高達(dá)250 ℃,因此不需要考慮.測(cè)試時(shí)未將TPB 粉末放置進(jìn)坩鍋、只給加熱絲通電使得源的溫度在約200 ℃保持1 h,測(cè)得小室內(nèi)壁的溫度升溫7.0 ℃.在理論計(jì)算中,穩(wěn)定加熱時(shí)(假設(shè)此時(shí)源溫度為200 ℃,小室溫度為25 ℃)源與小室之間的熱流率約為2.9 W,小室升溫1 ℃的時(shí)間約為8.2 min,在熱流率不變情況下(實(shí)際情況下熱流率會(huì)隨溫差減小而略有減小),計(jì)算得到加熱1 h 小室升溫約7.3 ℃,與試驗(yàn)結(jié)果相符.在蒸鍍?cè)囼?yàn)的加熱時(shí)長(zhǎng)預(yù)計(jì)不超過(guò)4 h.源的溫度保持4 h,共升高約4× 7=28 ℃.假設(shè)室溫為25℃,4 h 加熱使得小室溫度升至53 ℃左右,低于亞克力的安全工作溫度85 ℃.其次還測(cè)試了TPB粉末溫度、坩堝溫度和加熱絲溫度之間的溫差.在蒸鍍時(shí)最重要的溫度是TPB的粉末溫度,因?yàn)橹挥羞_(dá)到了一定的溫度TPB 才會(huì)蒸發(fā);但由于隨著TPB的蒸發(fā)而減少,其溫度無(wú)法精確測(cè)量.因此建立TPB的溫度與坩鍋溫度的關(guān)系非常有必要.通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)坩堝與粉末的溫差約3 ℃,因此在后續(xù)的試驗(yàn)中只測(cè)量坩鍋的溫度,并將其溫度加上3 ℃視作TPB 粉末的溫度.坩鍋的熱量是由加熱絲傳遞而來(lái),監(jiān)測(cè)兩者之間的溫度差有利于確定加熱穩(wěn)定性;試驗(yàn)結(jié)果表明穩(wěn)定加熱時(shí)坩堝與加熱絲的溫差約70 ℃.

5.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)前先對(duì)小室、工裝、源等相關(guān)部件進(jìn)行清潔、干燥等工作.先將各部件放入裝有清潔劑溶液(清潔劑濃度為0.2%)的超聲波清潔機(jī)內(nèi)清洗30 min,再用純水超聲清洗30 min.清潔后將部件用氮?dú)獯蹈珊蠓湃胝婵崭稍锵鋬?nèi)干燥.最后再用等離子體清潔機(jī)對(duì)部件待涂敷表面進(jìn)行清潔.

第一次完整的涂敷過(guò)程如下:首先,在坩堝內(nèi)裝入0.2 g TPB 粉末.無(wú)損耗的情況下,預(yù)期將在小室內(nèi)壁沉積厚度為3.93 μm的TPB.將已預(yù)先完成稱重的4 片鋁片安裝在小室內(nèi)壁,如圖10(a)所示.其次,安裝好設(shè)備后依次進(jìn)行抽真空、預(yù)熱(140 ℃× 30 min)、充氮?dú)饣謴?fù)常壓、再抽真空的操作.上述操作流程的目的是去除PTFE 部件表面的雜質(zhì),如水分、氡等.將膜厚速率穩(wěn)定在約5 ?/s 進(jìn)行140 min的涂敷,變壓器輸出電壓控制范圍為50—70 V,坩堝溫度變化范圍控制在150—170 ℃,溫度曲線如圖11 所示.在膜厚速率降到0 后關(guān)閉變壓器,此時(shí)膜厚為40801 ?(=4.0801 μm),膜厚曲線如圖12 所示;此厚度與此前由稱重質(zhì)量0.2 g 計(jì)算出的3.93 μm.厚度一致.再次,涂敷結(jié)束后使小室和源在真空下冷卻0.5 h,以確保小室內(nèi)的TPB 氣體分子充分附著和固化;恢復(fù)常壓后取出小室和鋁片,用紫外手電定性檢查涂敷的均勻度和完整性.

圖10 用紫外手電筒檢查TPB 涂層(a)小室部分的紫外手電檢測(cè);(b)用于檢測(cè)涂層厚度的4 片鋁樣片F(xiàn)ig.10.Check the TPB coating layer with an UV torch:(a)Lighting up the coating layer with an UV torch;(b)the four aluminum plates used for coating layer thickness monitoring.

圖11 TPB 涂層的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)(來(lái) 自FLUKE 溫度計(jì)軟件)其中T1為鎧裝加熱絲溫度,T2為坩堝溫度Fig.11.Real-time temperature monitoring on TPB coating(Reading with the two FLUKE temperature sensors directly).T1 shows the temperature of the heating cable,T2 corresponds to the crucible's temperature.

圖12 TPB 涂層的實(shí)時(shí)厚度監(jiān)測(cè)Fig.12.Real-time thickness monitoring on TPB coating.

此外,還可以從鋁片上沉積的TPB 質(zhì)量來(lái)反推出涂敷厚度.先對(duì)鋁片進(jìn)行稱重以計(jì)算涂敷在鋁片上的TPB 薄膜質(zhì)量.每片鋁片試驗(yàn)前后的稱重均進(jìn)行了5次,以得到平均值和不確定度.再將TPB 膜的質(zhì)量轉(zhuǎn)換為厚度,結(jié)果如表1 所示.轉(zhuǎn)換的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程如附錄A 所示.

表1 根據(jù)涂覆前后的質(zhì)量差計(jì)算的TPB 涂覆厚度Table 1.TPB coating thickness calculation based on the mass difference before and after coating on the aluminum plates.

表1 中1 號(hào)、2 號(hào)鋁片相對(duì)3 號(hào)、4 號(hào)膜厚數(shù)據(jù)較低,原因是工裝內(nèi)壁不同位置有不同程度的被導(dǎo)線遮擋.事實(shí)上,在連接源的導(dǎo)線,棕色特氟龍膠帶和黑色導(dǎo)線上都觀察到有少許TPB.但考慮到導(dǎo)線的表面積約6 cm2,遠(yuǎn)小于小室內(nèi)壁涂敷面積470 cm2.雖然此部分損耗不多,但由于其位置位于源與上端蓋之間,使得上端蓋的涂層厚度比其他位置薄.這也證明了分兩次涂敷而不是一次涂敷PTFE 小室內(nèi)壁的必要性.將小室側(cè)壁(3 號(hào))和底面(4 號(hào))鋁片稱重計(jì)算的真實(shí)膜厚數(shù)據(jù)與膜厚儀測(cè)得的40801 ?相比非常接近,證實(shí)了膜厚儀示數(shù)的準(zhǔn)確性,同時(shí)也證明了所有TPB 粉末都被蒸鍍.

在以上所有的準(zhǔn)備試驗(yàn)完成之后,移除鋁片,并清潔涂敷表面,再一次對(duì)PTFE 小室進(jìn)行真正的涂敷.此次涂敷使用了0.15 g TPB.試驗(yàn)準(zhǔn)備工作后步驟如上所述,涂敷的結(jié)果如圖13 所示.此次涂敷的TPB 厚度約為3 μm.

圖13 在10 cm 尺度的PTFE 探測(cè)器內(nèi)壁涂 敷3 μm 厚的TPB層Fig.13.3 μm TPB layer coated on the inner wall of a 10 cm scale PTFE detector.

6 總結(jié)與展望

本工作成功將波長(zhǎng)遷移劑TPB 通過(guò)改進(jìn)的氣相沉積法均勻涂敷在10 cm 大小的PTFE 小室內(nèi)表面.從涂敷結(jié)果來(lái)看,坩鍋中的TPB 得以充分蒸鍍并均勻地涂敷在小室的內(nèi)表面,且具有極高的材料利用率.在第1 次涂敷試驗(yàn)中,TPB 粉末用量是0.2 g;通過(guò)測(cè)量涂敷前后鋁片的質(zhì)量,得到的小室桶壁和底面涂層厚度結(jié)果分別為4.03±0.16 μm.和3.92±0.03 μm.;且此結(jié)果與膜厚儀的直接測(cè)量結(jié)果一致.第2 次涂敷采用的是同一套裝置以及完全一致的工藝,但沒(méi)有放置鋁片,TPB的粉末用量也較少,為0.15 g.據(jù)此推算出第2 次涂敷在小室桶壁和底面涂層厚度分別為3.02±0.12 μm和2.94±0.02 μm.桶部和底面相接觸處,其與源的中心距離最大,為7.1 cm.而源的中心與桶壁的距離是5.0 cm.根據(jù)直徑平方反比的關(guān)系,推測(cè)該接觸處的厚度為1.50 μm.此厚度是圓柱形內(nèi)壁TPB 涂層的最薄厚度.綜上,在第2 次涂敷中,圓柱形內(nèi)表面的厚度范圍是1.50—3.02 μm之間.根據(jù)文獻(xiàn)[20],厚度在0.7—3.7 μm 之間的TPB 鍍膜對(duì)80 nm 閃爍光的轉(zhuǎn)換效率接近,故該涂敷工藝制備的TPB 涂層完全能滿足ALETHEIA的要求.

本試驗(yàn)分別通過(guò)以下3 種獨(dú)立的方法獲得了高度一致的涂層厚度:膜厚儀實(shí)時(shí)顯示、樣片沉積TPB 稱重、蒸發(fā)TPB的總質(zhì)量除以圓柱形內(nèi)表面面積.綜上可知,本工作成功在PTFE 小室內(nèi)表面均勻涂敷TPB,為后續(xù)試驗(yàn)打下了良好的基礎(chǔ).在未來(lái)的試驗(yàn)中,還需要檢測(cè)不同厚度的TPB 對(duì)80 nm 閃爍光的轉(zhuǎn)換效率,TPB 涂層在液氦中產(chǎn)生的80 nm 光子的轉(zhuǎn)換效率等.

本研究得到CIAE 核物理實(shí)驗(yàn)室的大力支持.感謝原子能院物理所李云居研究員和陳晨博士在蒸鍍方面的幫助和支持.感謝山東省東營(yíng)市科真電子設(shè)備有限公司李愛(ài)軍先生的幫助.非常感謝CIAE 院長(zhǎng)基金對(duì)本項(xiàng)目的支持.

附錄A 涂層厚度的計(jì)算方法

以1 號(hào)鋁片為例,稱重質(zhì)量如表A1 所示.

表A1 1號(hào)鋁片的五次稱重質(zhì)量Table A1.Five times measurement of the mass of 1#aluminum film.

其中n為稱重次數(shù)(n=5),Si為第i次稱重的質(zhì)量,計(jì)算得到試驗(yàn)前和試驗(yàn)后的不確定度分別為σx=0.01 mg和σy=0.02 mg.

增重質(zhì)量的不確定度σu通過(guò)誤差傳遞(A2)式確定:

計(jì)算得到σu=0.02 mg,即試驗(yàn)前后增重m=(0.75±0.02)mg.

增重質(zhì)量m與膜厚d的關(guān)系式如下:

其中S為鋁片的測(cè)試面積,ρ為TPB的密度(1.079 g/cm3),對(duì)于測(cè)試面積為2 cm2的1 號(hào)鋁片,質(zhì)量轉(zhuǎn)換為膜厚的系數(shù)為4.63,將1 號(hào)鋁片的增重質(zhì)量乘以系數(shù)等得到薄膜厚度為(3.48±0.11)μm.類似可以計(jì)算出其他鋁片的膜厚,結(jié)果如表1 所示.