CN111549363A - 沉积在rf或mw金属部件上的抗次级电子倍增涂层、通过激光表面纹理化形成其的方法 - Google Patents

沉积在rf或mw金属部件上的抗次级电子倍增涂层、通过激光表面纹理化形成其的方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及沉积在RF或MW金属部件上的抗次级电子倍增涂层、通过激光表面纹理化形成该涂层的方法。本公开涉及沉积RF或MW部件上的抗次级电子倍增涂层、通过用激光器对这种涂层进行表面纹理化。本发明涉及在金属基板上通过激光烧蚀的抗次级电子倍增涂层的形成方法，该抗次级电子倍增涂层的构成材料选自门捷列夫表的第10列或第11列的金属或者这些金属的合金中，并且该涂层的纹理包括以规则的间隔重复的空腔的一个或多个图案，两个相邻的空腔之间的间隔间距在0到100μm之间的范围内。

Description

沉积在RF或MW金属部件上的抗次级电子倍增涂层、通过激光 表面纹理化形成其的方法
技术领域
本发明的主题是沉积在金属部件上的抗次级电子倍增涂层以及 形成该涂层的方法。
在此并且在本发明的框架中，“抗次级电子倍增涂层”应理解为是 指其功能是消除或至少极大地减小被称为“次级电子倍增效应”的效应 的涂层。
本发明可适用于被设计用于提供射频信号(RF)或微波(MW) 范围内的信号的发送和/或接收以用于空间电信的设备的任何部件，例 如连接器或开关。
本发明还可适用于核领域，并且一般而言，可适用于存在次级电 子倍增效应的风险的任何应用。
本发明尤其可以应用于连接器、同轴或波导开关的触件或天线。
背景技术
次级电子倍增效应是一种真空电子放电现象，当在交变电场的作 用下，一次电子导致二次电子从诸如波导或触件之类的射频部件的壁 发出时，就会发生这种现象。
这些发出的二次电子又会通过施加的交变电场而加速，并且它们 本身也会导致二次电子从部件的相对壁发出。
在某些条件下，尤其是在空间真空下，会发生乘数效应或雪崩效 应，从而导致残留的低压气体电子放电或击穿，这可能损坏结构。
特别是，在高功率传输设备中，像在大型热核环形等离子体系统 的结构中一样，在空基微波(MW)和射频(RF)连接系统或仪器中 可能会发生次级电子倍增效应。
在使用各种几何形状并在从几MHz到数十GHz的频率范围内运 行的粒子加速器中，次级电子倍增效应限制了在真空条件下运行的这 些高功率设备中可以传输的最大功率。
实际上，在所有设计用于空间的高功率RF连接设备、大型粒子 加速器、速调管和其它RF高功率真空管中，次级电子倍增效应可能 具有严重的不利影响。
一种用于消除或至少尽可能减小这种次级电子倍增效应的已知 解决方案是在所讨论的部件的表面上沉积合适的涂层。
这种被称为“抗次级电子倍增涂层”的涂层必须表现出足够的表 面电导率，以最小化暴露于空气时的RF损耗、高电阻以及二次电子 的低再发射能力。
后一点已知为首字母缩写词SEY(针对“二次电子产率”)。
因此，抗次级电子倍增涂层必须尽可能降低SEY。
解决方案之一在于在能够发出这些二次电子的区域中产生非平 面的不规则表面。这些电子然后被部分捕获在这种不规则的表面纹理 内。
专利申请US2017/0292190提供了通过化学方法沉积在金属基板 上的抗次级电子倍增涂层，该化学方法特别需要使用酸来实施蚀刻步 骤。所公开的涂层表现出远非完美的性能特性。此外，化学蚀刻方法 是通过浸入一个或多个化学浴中进行的，并且一方面，它不允许或仅 以非常严格的措施为代价，仅将要沉积的涂层局限在部件的某些区域 中。另一方面，它不允许实施金涂层，该金涂层是化学上最惰性的金 属之一，但是它构成了所寻求的抗次级电子倍增效应的理想候选者之 一。此外，该方法可以生成纹理不均匀的涂层，并且该涂层可能留下 较差的纹理区，因此可能成为SEY增加的来源。
出版物[1]描述了在涂敷有SiN层的硅基板上形成的金层中，通过 混合工艺电镀/光刻生产微孔。
出版物[2]公开了通过光刻实现包括铝基板的RF部件(K带中的 桥式滤波器)，该铝基板上通过光刻沉积Ag涂层。
根据出版物[1]和[2]的方法生成孔的简单形状，孔的壁的形状不能 被控制。而且，这些方法不能在二维表面上产生孔，因此不适合于表 面为3维、尤其是邻接的壁彼此垂直的诸如RF部件之类的产品。此 外，这些光刻方法不能用于圆柱形表面的内部或外部，或者不能用于 大曲率半径和/或大尺寸的表面。最后，这些方法具有光刻固有的缺陷， 即，一方面需要在洁净室中的特定的环境，而另一方面需要使用很少 推荐用于空间应用的有机树脂，并且需要互补的工艺和彻底的彻底清 洁以避免脱气的风险。
此外，专利申请CN108767413公开了用于空间的MW部件，该 部件的表面被激光烧蚀以抑制微放电现象。计划的形貌约为数百μm， 这对于当前的应用来说并不允许最佳的抗次级电子倍增效应。
因此，存在对改善抗次级电子倍增涂层及其形成方法的需求，特 别是为了获得低的SEY、足够的表面电导率、暴露于空气时的高电阻， 以及为了最佳地保持电性能特性以用于通过包括这些涂层的金属部件 传输RF信号。
本发明的目的是至少部分地满足该需求。
发明内容
为此目的，本发明的一个主题是在金属基板上形成抗次级电子倍 增涂层的方法，包括以下步骤：
(a)在金属基板的至少一部分表面之上沉积由选自门捷列夫表 的第10列或第11列的金属或者这些金属的合金中的构成材料制成的 涂层，
(b)对根据步骤(a)沉积的涂层进行激光处理，以这种方式来 获得沉积的涂层的纹理，其中以规则的间隔重复空腔一个或多个图案， 两个相邻的空腔之间的间隔的间距范围在0和100μm之间。
每个空腔的开口直径可以在2μm和50μm之间的范围内，优选在 2μm和30μm之间的范围内。
在适当的情况下，在步骤(a)之前，该方法可以包括沉积用于 涂层的粘附层的步骤。
有利地，组成根据步骤(a)沉积的涂层的材料选自金、银、银 合金，优选地选自金合金、金-镍或金-钴合金。
根据一个有利的变型实施例，步骤(b)借助于飞秒激光器进行。 在此回想起，与通常产生连续辐射的常规激光器相反，飞秒激光器产 生非常短的闪光，即，光的脉冲。每个脉冲优选地持续几fs到100fs， 其中1fs等于10-15s。
飞秒激光器的优点之一是具有受其热影响非常小的区域。此外， 飞秒激光器允许以要获得的规则的间隔完全重复的空腔的图案，这在 本发明的框架中是期望的。
优选地，步骤(a)根据电化学表面处理(化学或电解涂覆)技 术进行。
根据一个有利的变型实施例，在步骤(a)之前，实现了用根据 物理气相沉积(PVD)技术沉积的至少一个薄层涂覆金属基板的步骤。
优选地，薄层是金层。
本发明的主题还是如上所述的RF或MW部件的用途，特别是用 于从卫星传输信号或向卫星传输信号，该RF或MW部件的有源部分 (active part)的至少一部分表面由根据如上所述的形成方法涂覆有 抗次级电子倍增涂层的金属基板组成。这些例如可以是用于在P、S、 L、C或X频带中进行发送和/或接收的波导开关，或者可替代地可以 是用于在电磁频谱的所有频带中进行发送和/或接收的同轴开关。
因此，本发明主要包含优选地为金或银或者这些金属的合金的抗 次级电子倍增涂层，该涂层通过激光烧蚀纹理化，该激光烧蚀允许在 具有这种纹理的金属部件的表面的一部分之上产生校准几何形状的空 腔，空腔以规则的方式重复，其中间隔的间距在0和100μm之间。
空腔充当一次电子的非常有效的陷阱，这允许获得降低的SEY。 另外，使空腔的这些图案以规则的间隔重复意味着均匀的涂层纹理， 这也有助于降低的SEY。
空腔之间减小的距离极大地限制了次级电子倍增效应，该效应二 维表面中占优势。
凭借根据本发明的抗次级电子倍增涂层，与仅通过例如根据电化 学(化学或电解)沉积类型的表面处理技术通过沉积形成的特别是金 或银的导电金属涂层相比，在HF或MW信号的传输功率方面的性能 特性可以得到显着改善，但不会显着降低RF或MW性能，诸如在 RF信号传输期间的RF损耗水平。
此外，与应用于其中浸有待处理的部件的浴中的根据现有技术的 化学蚀刻相比，使用激光对沉积的涂层的表面进行纹理化允许容易地 控制和调整纹理的类型(空腔的大小和深度、图案的周期性)，并能 够发出二次电子的基板的表面仅局部地被处理。
另外，通过激光烧蚀的纹理化使得可以产生形状完全为圆柱形的 空腔，并且除了空腔之外，在空腔壁上还具有海绵形状的微空腔。获 得这些形式对抗次级电子倍增效应非常有利。
此外，与根据现有技术的方法不同，根据本发明的通过激光烧蚀 的纹理化使得可以获得小的空腔深度，这是有利的，因为在表面上消 耗了贵金属，特别是金，并且因此可以降低相关成本。
最后，通过激光的纹理化允许金涂层的表面易于改性，这通过化 学侵蚀很难的，或甚至是不可能的。
在参考以下附图阅读以非限制性说明的方式给出的本发明的示 例性实施例的详细描述之后，本发明的其它优点和特征将变得更加清 楚。
附图说明
图1是根据本发明的抗次级电子倍增涂层的照片复制品；
图2A是根据本发明的抗次级电子倍增涂层的空腔的重复图案的 示意性俯视图；
图2B是根据本发明的抗次级电子倍增涂层的空腔的示意性纵向 截面图；
图3是通过3D激光扫描共聚焦显微镜获得的、根据本发明的抗 次级电子倍增涂层的形貌的显示，所述抗次级电子倍增涂层具有以规 则的间隔重复的空腔的图案；
图4是TNC型同轴连接器的立体图，该TNC型同轴连接器被实 施用于测试根据本发明的抗次级电子倍增涂层；
图5是实施用于测试根据本发明的抗次级电子倍增涂层的插座的 立体图；
图6是用于测试根据本发明的抗次级电子倍增涂层的连接器半壳 实施方式的立体图；
图7是包括两个如图4中所示的TNC连接器的连接系统的立体 图，根据图5的连接插座连接在两个TNC连接器之间并且被根据图6 的两个连接器半壳围绕，插座的外部和连接器半壳的内部覆盖有根据 本发明的银的抗次级电子倍增涂层；
图8是诸如已组装的根据图7的连接系统的立体图；
图9A是放大倍数为x250的覆盖插座的外部和连接器半壳的内部 的根据本发明的银的抗次级电子倍增涂层的扫描电子显微镜(SEM) 图；
图9B是放大倍数为x1000的覆盖插座的外部和连接器半壳的内 部的根据本发明的银的抗次级电子倍增涂层的扫描电子显微镜 (SEM)图；
图9C是放大倍数为x5000的覆盖插座的外部和连接器半壳的内 部的根据本发明的银的抗次级电子倍增涂层的扫描电子显微镜 (SEM)图，该放大倍数允许观看的空腔；
图9D是放大倍数为x7500的覆盖插座的外部和连接器半壳的内 部的根据本发明的银的抗次级电子倍增银涂层的扫描电子显微镜 (SEM)图，该放大倍数允许图9C中的空腔将以更高的精度看到；
图10是包括两个如图4中所示的TNC连接器的连接系统的立体 图，根据图5的连接插座连接在两个TNC连接器之间并且被根据图6 的两个连接器半壳围绕，该插座的外部和连接器半壳的内部覆盖有根 据本发明的金的抗次级电子倍增涂层；
图11A是放大倍数为×550的覆盖插座的外部和连接器半壳的内 部的根据本发明的金的抗次级电子倍增涂层的扫描电子显微镜 (SEM)图；
图11B是放大倍数为x1000的覆盖插座的外部和连接器半壳的内 部的根据本发明的金的抗次级电子倍增涂层的扫描电子显微镜 (SEM)图；
图11C是放大倍数为x6000的覆盖插座的外部和连接器半壳的内 部的根据本发明的金的抗次级电子倍增涂层的扫描电子显微镜 (SEM)图，该放大倍数允许观看空腔；
图11D是放大倍数为x7500的覆盖插座的外部和连接器半壳的内 部的根据本发明的金的抗次级电子倍增涂层的扫描电子显微镜 (SEM)图，该放大倍数允许以更高的精度看到图11C的空腔；
图12是直方图形式的曲线图，其示出了分别与根据现有技术的 仅通过电化学表面处理而没有纹理化获得的银和金的涂层相比，根据 本发明的银和金的抗次级电子倍增涂层所提供的传输功率的增益。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的抗次级电子倍增涂层，总体上用附图标 记1表示。
该涂层1是银、金或这些金属中的一种或另一种的合金的层，并 且其纹理包括以规则的间隔重复的空腔10的一个或多个图案。
在图2A至图2B中示出了重复的图案和空腔10的示意表示：空 腔10基本上邻接，并且每个空腔具有圆形开口和基本上呈高斯形式的 总体截面形状。举例来说，空腔10的单位直径约为20μm，并且其深 度(高度)h约为4μm。
以这些空腔10的规则间隔重复的形貌在图3中清晰可见。
为了在金属RF或MW部件的至少一部分表面之上获得根据本发 明的抗次级电子倍增涂层1，发明人进行了以下步骤。
步骤a)：通过电化学沉积类型的表面处理选择性地在所讨论的 金属部件的表面之上沉积例如为金或银涂层或者这些金属中的一种或 另一种的合金。
这种沉积约为几μm，或者甚至几十μm。例如，对于银，沉积厚 度可以在1μm和15μm之间的范围内，并且对于纯金，沉积厚度可以 在1μm到7μm之间的范围内。
步骤b)：对沉积的涂层进行激光处理，以这种方式来获得沉积 的涂层的纹理，其中以规则的间隔重复空腔的一个或多个图案。
所使用的激光器优选是飞秒激光器。每个空腔10由激光产生的 持续时间为几fs至100fs的脉冲来产生。
为了测试根据本发明的抗次级电子倍增涂层1的有效性，发明人 已经对RF测试车辆进行了试验，该RF测试车辆的金属部件的一部 分涂覆有所述涂层。
在试验期间，使用的连接系统5包括两个如图4中所示的TNC 型同轴连接器4，图5中所示的插座3连接两个同轴连接器4之间， 并且在插座3周围的如图6中所述的两个连接器半壳4被组装以在插 座3周围限定环形空间。
图8示出了已组装并处于操作配置的连接系统5。
在下文中考虑的每个示例中，试验条件如下：
-由铜铍(CuBe2)制成的插座3和由铝制成的连接器半壳4；
-连接系统5传输的信号频率：1GHz；
-在插座3的外部和由两个组装的连接器半壳4限定的圆柱体的内 部之间的环形空间：2mm；
-信号的传输功率：直到获得次级电子倍增放电。
示例1：插座3的外部和连接器半壳4的内部涂覆有根据本发明、 即根据如上所述的方法的步骤a)和b)的由银制成并纹理化的抗次级 电子倍增涂层1。
比较示例1：插座3的外部和连接器半壳4的内部涂覆有银涂层 1但是没有任何纹理化，即仅根据如上所述的方法的步骤a)。
示例2：插座3的外部和连接器半壳4的内部涂覆有金的抗次级 电子倍增涂层2并且根据本发明、即根据如上所述的方法的步骤a) 和b)被纹理化。
比较示例2：插座3的外部和连接器半壳4的内部涂覆有金层2 但是没有任何纹理，即仅根据如上所述的方法的步骤a)。
比较示例3：插座3和连接器半壳4没有涂层。
信号功率的测量是根据下文参考文献中引用的标准进行的。
试验结果示出在图12中，并总结在下表1中。
示例 功率(W)
示例1 390
比较示例1 105
示例2 750
比较示例2 153
示例3 80
[表1]
观察到，用根据本发明纹理化的金涂层1获得了最好的结果，相 对于仅镀金的涂层，增益为约4.9倍，这已经相当可观了，并且与不 带涂层的金属部件相比，其增益约为9.38倍，这非常显著。
就本发明而言，根据本发明的纹理化的银涂层1相对于仅镀银的 涂层提供约2.95倍的增益。
然而，可以在不背离本发明的范围的情况下实现本发明的其它变 型和优点。
例如，尽管在所示的示例中，根据本发明的抗次级电子倍增涂层 被沉积在形成RF连接系统的中心触件的插座上，但是本发明也可适 用于RF或MW设备的任何其它导电部分，特别是用于诸如同轴开关 或波导开关之类的开关的高功率传输。
本发明不限于仅在以上描述的示例；所示的示例的特征可以明显 地在未示出的变型内组合在一起。
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Claims (11)

1.一种用于在金属基板上形成抗次级电子倍增涂层的方法，包括以下步骤：
(a)在金属基板的至少一部分表面之上沉积由选自门捷列夫表的第10列或第11列的金属或者这些金属的合金中的构成材料制成的涂层，
(b)对根据步骤(a)沉积的涂层进行激光处理，以这种方式获得所沉积的涂层的纹理，其中以规则的间隔重复空腔的一个或多个图案，两个相邻的空腔之间的间隔间距范围在0μm和100μm之间。
2.根据权利要求1所述的形成方法，在步骤(a)之前，包括用于沉积用于涂层的粘附层的步骤。
3.根据权利要求1所述的形成方法，其中根据步骤(a)沉积的涂层的构成材料选自金、银、银合金，优选地选自金合金、金-镍或金-钴合金。
4.根据权利要求1所述的形成方法，其中，步骤(b)借助于飞秒激光器进行。
5.根据权利要求1所述的形成方法，其中步骤(a)根据电化学表面处理技术进行。
6.根据权利要求1所述的形成方法，其中，每个空腔的开口直径在2μm和50μm之间的范围内，优选地在2μm和30μm之间的范围内。
7.根据权利要求1所述的形成方法，包括在步骤(a)之前，用根据物理气相沉积(PVD)技术沉积的至少一个薄层涂覆金属基板的步骤。
8.根据权利要求7所述的形成方法，其中，所述薄层是金层。
9.一种射频RF或微波MW部件，该部件的有源部分的至少一部分表面由根据权利要求1的形成方法涂覆有抗次级电子倍增涂层的金属基板组成。
10.根据权利要求9所述的射频RF或微波MW部件，该部件形成RF同轴连接器或同轴类型的RF开关或波导。
11.一种根据权利要求8所述的RF或MW部件的用途，用于从卫星传输信号或向卫星传输信号。
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