IX Международный семинар по проблемам ускорителей заряженных частиц памяти В.П.Саранцева

/20
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
Contents
1. Secondary emission
2. Secondary electron yield (SEY)
3. Electron-cloud effect
4. The experiment on SEY measurement
5. Test-bench “Recuperator”
6. Experiment description
7. Experiment results.

Number of secondary electron vs Energy of primary electron
/20
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
Secondary emission
Typical SEE spectrum
Energy groups:
a) - truly secondary e-
b) - inelastic e-
c) - elastic e-
Secondary Electron Emission is the emission of electrons by the surface of a solid object when it is bombarded by electrons. It was discovered in 1902 by the German physicists L. Austin and H. Starke. The electrons bombarding the object are called primary, and the emitted electrons are called secondary. Some of the primary electrons are reflected without energy loss (elastically reflected primaries), and the remaining electrons are reflected with a loss of energy; the energy is mainly consumed in exciting the electrons of the solid object to higher energy levels. If the electrons’ energy and momentum prove to be sufficiently great to surmount the potential barrier on the surface of the object, they leave the surface (truly secondary).

N1, I1 – primary electrons (incident electrons)
N2, I2 – secondary electrons (leaving the surface)
Secondary electron yield as a function of primary electron energy
/20
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
Secondary Electron Yield (SEY)

Electron cloud density depends on effective secondary electron yield of material of coating vacuum chamber. The formation of electron clouds can be simulated by specialized software (eg ECLOUD)
/20
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
Electron-cloud effect
Electron cloud effects are expected to be enhanced and play a central role in limiting the performance of the collider at the NICA complex. Electron cloud phenomena in beam pipes are based on electron multiplication and can be sufficiently suppressed if the Secondary Electron Yield (SEY) of the surface of the beam pipes is lower than unity. The goal of this work is to find and study a thin film coating with reliably low initial SEY, which does not require bake-out or conditioning in situ with photons, is robust against air exposure and can easily be applied in the beam pipes of accelerators.

β – bunch velocity
b – radius of the vacuum chamber
Z – ion charge
re – electron classic radius
lspace – space between bunches in the circulating ion beam
for NICA parameters (ions 197Au79+)
/20
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
Electron clouds accumulation

К
E2=Ea+Uo
E2=Ec+Uo
/20
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
Scheme of the experiment on SEY measurement

Calculation of displacement of the secondary electron
/20
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер

/20
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
The displacement of the secondary electrons

Scheme of the set up for SEY measurement
C – collector
S – suppressor
T – target of sample
C
e-
T
Electron gun
S
/20
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер

/20
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
Scheme of the set up for SEY measurement
(cont.)

1 – Vacuum chamber
2 – Samples
3 – Luminescent screen
4 – Vacuum feed through
/20
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
Samples mounting

/20
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
Test Bench «Recuperator»
electron gun
target
HV power supply of TB

/20
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
SEY from the surfaces of the samples was measured under the following conditions:
1. Образцы «подвешивались» под отрицательный потенциал. При этом потенциал катода и образца изменялись так, что сохранялась величина энергии электронов, падающих на пластину-образец.
2. Очистка пластин-образцов производилась электронным пучком
а) на измеряемой энергии
б) по всему диапазону энергии от 50 эВ до потенциала катода с шагом 50эВ
3. Ток электронного пучка:
а) Постоянный ­– при очистке пластин-образцов и измерении КВЭЭ
б) Импульсный – при измерении тока вторичных электронов без очистки образца. В данном режиме ток первичных электронов не измерялся
SEY
Experiment description

/20
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
Electron Stimulated Desorption (ESD):
The Surface Cleaning
SEY
P = 10-8 Torr

/20
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
wo – sample without coating (control)
with – sample with coating TiN
Cleaning the sample was carried out only at the measurement energy
q/S ≈ 10 mC/mm2
SEY
P = 10-8 Torr

/20
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
SEY
q/S ≈ 10 mC/mm2
P = 10-8 Torr
wo – sample without coating (control)
with – sample with coating TiN
Cleaning the sample was carried out with
the measurement of energy spectrum

Стенд «Рекуператор» введён в эксплуатацию в начале 2011.
Отработана методика измерения тока вторичных электронов
/20
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
Work done

/20
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
Ближайшие планы:
1. Измерения КВЭЭ с пластин при активации образцов омическим нагревом. Изменение КВЭЭ от времени нахождения в вакууме после активации.
Измерения провести при достигнутом вакууме:
10-7 ÷ 10-9 Тор
Экстраполировать полученные результаты на вакуум 10-10 Тор
2. Измерения при вакууме 10-10 Тор и лучше с использованием криогенного насоса.
3. Отработка методик очистки поверхностей электронным пучком.
4. Работа с покрытиями другого состава: TiZrV, TiCN, TiZr
(сотрудничество c Госкорпорацией «Порошковая металлургия», г.Минск)
Next time…