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

IX Международный семинар по проблемам ускорителей
заряженных частиц памяти В.П.Саранцева
EXPERIMENTAL STUDIES OF SECONDARY
ELECTRON-ELECTRON EMISSION
BY VACUUM CHAMBER SURFACE
A.Yu. Rudakov, I.N. Meshkov
JINR DNLP
Dubna 2011
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
1/20
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.
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
2/20
Secondary emission
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).
Number of secondary electron vs Energy of primary electron
Typical SEE spectrum
Energy groups:
a) - truly secondary eb) - inelastic ec) - elastic e-
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
3/20
Secondary Electron Yield (SEY)
N2 I2


N1 I 1
N1, I1 – primary electrons (incident electrons)
N2, I2 – secondary electrons (leaving the surface)
Secondary electron yield as a
function of primary electron energy
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
4/20
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.
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)
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
5/20
Electron clouds accumulation
for NICA parameters (ions 197Au79+)
N bunch ~ 5 108
2
N bunch
b
 
Z re lspace
2
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
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
6/20
Scheme of the experiment on SEY measurement

E
e1

B

Bll
e2 -

B
-
E2=Ec+Uo
E2=Ea+Uo
К
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
7/20
Calculation of displacement of the secondary electron

Bll
e2

B

E
E 
 U up  U down
2  h plate
Ee ( EO , ye )  EO  E  (h plate  ye )
Δc Δa
-
L
 e ( EO , ye )  2 
 e ( EO , ye ) 
L plate
E

0.3  Bll  e ( EO , ye )
EO  [U O , Ee _ cath ]
EO  начальная энегрия вторичных e 
Ee ( EO , ye )
511
 a   c  d coll (4см)
Bll  продольное магнитное поле
Ee  энегрия вторичных e  пришедших в коллектор E  электрическое поле отклоняющи х пластин
 e  смещение вторичных e  прошедших пластины h plate  расстояние от средней плоскости
 а  смещение истинно вторичных e 
до пластины
 с  смещение упруго отражённых вторичных e 
ye  расстояние от средней плоскости до e 
 e  скорость вторичных e 
L plate  длина пластины
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
8/20
The displacement of the secondary electrons
3
6
3
6
 .e ( E 1)
 .e ( E 0)
5
 .e ( E 1)
4
 .e ( E 0)
2.6
2.2
 .e ( E  1) 3
 .e ( E  1) 1.8
2
1.4
1
1
1
0
0
1
2
3
E
4
5
5
1
1
1
1.6
2.2
2.8
E
3.4
4
4
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер
9/20
Scheme of the set up for SEY measurement

B
Electron gun

E
e-
C
uA
Π
uA

Bll
T
S
C – collector
S – suppressor
T – target of sample
uA
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер 10/20
Scheme of the set up for SEY measurement
(cont.)
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер 11/20
Samples mounting
1 – Vacuum chamber
4
2 – Samples
1
2
3
3 – Luminescent screen
4 – Vacuum feed through
1
2
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер 12/20
Test Bench «Recuperator»
electron gun
target
HV power supply of TB
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер 13/20
SEY
Experiment description
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
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер 14/20
Electron Stimulated Desorption (ESD):
The Surface Cleaning
SEY
G(q/S)
coating
G(q/S)without
with coating
P = 10-8 Torr
1,9
1,9
1,8
1,8
1,7
1,7
G(25uA)
G(25uA) 1-0,8kV
1-0,8kV
Isec/Ie
Isec/Ie
1,6
1,5
1,4
1,3
1,3
1,2
1,2
1,1
1,1
1
1
G(50uA)
G(50uA) 1-0,8kV
1-0,8kV
q/s 300 uC/mm2
G(100uA) 1-0,8kV
G(25uA) 2-1,8kV
G(50uA)
G(50uA) 2-1,8kV
2-1,8kV
G(100uA)
G(100uA) 2-1,8kV
2-1,8kV
0
0
500
500
1000
1000
1500
1500
2000
2000
q/S,
[uC/mm2]
q/s, [uC/mm2]
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер 15/20
SEY
Cleaning the sample was carried out only at the measurement energy
G(Ee)
P = 10-8 Torr
1,25
2kV_wo
1,2
2kV_with
Isec/Ie
1,15
1,5kV_wo
1,5kV_with
1,1
1kV_wo
1,05
1kV_with
1
0,5kV_wo
0,95
0,5kV_with
0,9
50
150
q/S  10 mC/mm2
250
Ee, [eV]
350
wo – sample without coating (control)
with – sample with coating TiN
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер 16/20
SEY
Cleaning the sample was carried out with
the measurement of energy spectrum
G(Ee, Ucath)
P = 10-8 Torr
1,1
Gwo(-2kV)
Gwith(-2kV)
1,05
Isec/Ie
Gwo(-1,5kV)
Gwith(-1,5kV)
1
Gwo(-1kV)
Gwith(-1kV)
0,95
Gwo(-0,5kV)
Gwith(-0,5kV)
0,9
50
150
q/S  10 mC/mm2
250
Ee, [eV]
350
450
wo – sample without coating (control)
with – sample with coating TiN
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер 17/20
Work done
Стенд «Рекуператор» введён в эксплуатацию в начале 2011.
Отработана методика измерения тока вторичных электронов
Основные параметры сэо стенда «Рекуператор».
Энергия электронов, кэВ
0.5…20
Ток электронного пучка, А
0…1.0
Микропервеанс электронной пушки:
Катод 10 мм, ток накала 3.8 А, мка/В(1.5)
0.18
Диаметр катода электронной пушки, мм
10 (3)
Максимальное продольное магнитное поле, Гс
Длина вакуумной камеры в продольном
магнитном поле, м
Вакуум в районе катода, Тор
500
4
10-8
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер 18/20
Next time…
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)
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер 19/20
Thank you for attention
А.Ю. Рудаков, Исследования вторичной электронной эмиссии с поверхности вакуумных камер 20/20