粒子加速器储存环中粒子束与真空室内壁和残余气体相互作用产生二次电子,这些电子在储存环真空室内聚集形成电子云,严重影响储存束流的流强、能量、发射度、稳定性和寿命等。电子云是新一代加速器面临的最为关键的问题。缓解电子云最有效的办法是降低加速器真空室材料内表面二次电子产额。开展材料表面二次电子抑制方法的研究已经成为各大实验室的研究重点。国际上通常采用真空室外围缠绕线圈以及真空室内表面镀制低二次电子产额薄膜或者表面加工毫米级沟槽结构来缓解电子云现象。而这些常规的表面处理方法一般只能将二次电子产额降低至1.2左右,同样存在产生电子云的风险。随着加速器的发展,对于电子云的要求越来越严格,因此获得极低二次电子产额的真空室结构材料表面已经成为新一代加速器的重要目标,而相应的表面处理方法也成为了加速器真空系统设计的关键技术。本论文针对此问题,在国内首次利用激光刻蚀方法处理真空室结构材料,集成搭建了三维高精度激光材料刻蚀试验平台,利用激光刻蚀方法处理加速器真空室结构材料表面获得极低二次电子产额的材料表面。利用此平台获得了二次电子产额低于1的材料表面,相比于常规处理方法,刻蚀表面具有更低的二次电子产额,激光刻蚀后的材料表面理论上可以完全杜绝电子云的产生。通过调节激光参数,制备出具有不同微观结构的低二次电子产额刻蚀表面,确定了获得低二次电子产额的激光工艺。依托课题组原有二次电子测试装置,确定了电子入射角度以及电子轰击对刻蚀表面二次电子产额的影响。通过唯象法和蒙特卡洛模拟方法分别分析了刻蚀表面二次电子的发射情况,得到了刻蚀表面二次电子产额的计算方法。论文内容主要有以下几点:1.在国内首次集成搭建了三维高精度激光材料刻蚀试验平台,建立加速器真空室结构材料激光刻蚀实验技术和方法。由于金属材料表面反射率较高,因此选用吸收率较高的355 nm激光作为三维高精度激光材料刻蚀试验平台的光源,并设计了一组聚焦系统,将毫米级尺寸的激光光斑降低至微米级,配合高精度移动平台实现真空室材料表面的光栅式刻蚀,在材料表面形成具有一定规则的微米级沟槽结构,得到了二次电子产额小于1的材料表面。2.研究分析了激光参数以及其他条件对加速器真空室材料表面二次电子产额的影响。结果表明各项参数对表面形貌以及化学成分的影响,都在二次电子产额上有所体现。激光能量越大,表面形貌以及化学成分的变化越明显,刻蚀产生的沟槽占比越高,由于沟槽具有抑制二次电子发射的效果,因此随着沟槽占比的增加,材料表面的二次电子产额逐渐降低。探究了电子轰击对刻蚀材料表面二次电子产额的影响。电子轰击能够清除表面污染物并在刻蚀表面形成类石墨的C-C键结构,这些变化都能够降低材料表面的二次电子产额。另外,刻蚀后的真空室材料表面二次电子产额会随着入射电子的角度的增加逐渐变大。3.激光刻蚀能够在加速器真空室常用材料表面形成有规则的沟槽结构。利用扫描电子显微镜分析刻蚀样品的表面形貌,同时利用X射线光电子能谱分析表面化学成分以及各个元素的价态。研究了刻蚀过程中铜样品表面通保护气体对于表面的影响,研究结果表明,保护气体为氮气时,表面仍被完全氧化,证明氮气不能起到保护作用。保护气体为氩气时,刻蚀后的表面仍有金属态的Cu存在,证明了在刻蚀过程氩气能够防止表面发生氧化反应。4.通过分析刻蚀样品表面扫描电子显微镜图像可知,刻蚀后的沟槽为近似的三角形结构。作者利用唯象法分析三角形沟槽的二次电子产额及其各项组成,并通过计算给出了顶角为锐角的刻蚀表面二次电子产额计算公式。将唯象法计算得到的二次电子产额数据和刻蚀样品的二次电子产额实验测试数据对比,验证了计算公式的有效性。5.CASINO是基于蒙特卡洛方法模拟电子运动轨迹的软件。作者利用CASINO软件,分别对平面和三角形沟槽的二次电子产额进行分析,通过与唯象法的结合,得到了和实验数据吻合的结果。二次电子产额是未来粒子加速器真空室材料的重要指标。激光刻蚀作为一种新的抑制二次电子发射的方法,具有巨大的潜力。本文关于激光刻蚀抑制加速器真空室材料表面二次电子发射机理的研究结果在储存环真空室的建造中具有的非常重要的应用参考,为新一代加速器真空系统设计和建造提供理论依据和数据支持。