Long term performances of non evaporable getter films in the large hadron collider

To provide Ultra High Vacuum conditions in the Long Straight Sections (LSS) of the Large Hadron Collider (LHC) the internal surface of the room temperature sectors is coated with a Non-Evaporable Getter thin film. This material is highly reactive, thus when a molecule impinges on its surface it is firstly chemically trapped and then desorbed into the bulk of the material itself. If the gas load on the surface is too high the NEG surface is saturated, having no more free site to host the impinging molecules. In order to restore its pumping properties the oxide layer formed on the surface has to be removed. For this reason the NEG material is heated allowing the diffusion of the oxide layer into the bulk: this process is called activation. In 2013, the LHC operation was stopped for a 20 months period called Long Shutdown 1 in order to allow consolidation, maintenance and upgrade. During this period about 80% of the room temperature NEG coated sectors were vented, baked and then re-activated. This study was focused on the analysis of the vacuum performances of this NEG thin film when subjected to a considerable number of venting and activation cycles. The first step of this study was to collect and analyse the ultimate pressure values on all the sectors of the LHC after each venting and activation cycle. In parallel an experimental study was carried out in laboratory. Here fifteen venting and activation cycles were performed on a NEG coated chamber in order to determine the evolution of the pumping speed, transmission factor and capture probability. Finally the data collected in the LHC and the experimental results were matched in order to explain the measured ultimate pressure trend in the machine and foresee the vacuum performances in the next twenty years of operations of the LHC accelerator. Chapter 1 introduces the CERN accelerator complex, the LHC machine and more in detail the Long Straight Sections, where NEG materials are employed. In Chapter 2 all the quantities, the instruments and the tool used for this study are presented and described, giving basic notions of vacuum physics and technology. Chapter 3 is focused on the description of NEG materials, on their general properties and on the parameters affecting their performances. The Long Shutdown 1 and so the main purposes of this study are presented in Chapter 4; here an analysis of the ultimate pressures in the LHC is carried out. Chapters 5 and 6 are dedicated to the description of the experimental techniques employed for this study and of the obtained results. Finally in Chapter 7 is presented a summary of the conclusions.

Per raggiungere le condizioni di Ultra High Vacuum (UHV) nelle Long Straight Sections (LSS) del Large Hadron Collider le superfici interne dei settori a temperatura ambiente vengono rivestite con un film sottile di materiale appartenente all categoria dei Non-Evaporable Getter (NEG). Quando una molecola impatta sulla superfice di un NEG, essa viene intrappolata, grazie all'alta reattivita' chimica di questi materiali, e poi diffusa all' interno del bulk. Se la superficie reattiva viene esposta alla pressione atmosferica o a una pressione troppo alta essa viene istantaneamente saturata, riempiendo tutti i siti liberi di reazione e annullando le proprieta' di pompaggio. Per ristabilire le proprieta' di assorbimento e' necessario che il layer di ossido formato sulla superficie sia rimosso. Per questa ragione il NEG viene riscaldato a una temperatura sufficiente da permettere la difusione dello strato di ossido all'interno del bulk: questo processo e' chiamato attivazione. Questo studio si pone come scopo quello analizzare l'evoluzione delle prestazioni dei NEG thin films, quando sottoposti a un numero consistente di cicli di venting e attivazione. Nel 2013 le operazioni in LHC sono state interrotte per un periodo di venti mesi chiamato Long Shutdown 1, per sottoporre la macchina a interventi di manutenzione a aggiornamento. Durante questo periodo circa l'80% dei settori a temperatura ambiente, rivestiti da film di NEG, sono stati ventilati per consentire gli interventi, richiedendo quindi una nuova attivazione. Nella prima fase di questo studio i valori di pressione misurati in tutti i settori di LHC dopo ogni ciclo di attivazione sono stati raccolti e analizzati. Questa fase di analisi e' stata affiancata da uno studio sperimentale. In questo ambito una camera rivestita da un film NEG e' stata sottoposta a quindici cicli di venting e attivazione per studiare l'evoluzione della velocita' di pompaggio, dei valori di trasmissione e della capture probability. Nella fase finale, combinando i dati ottenuti in laboratorio con quelli raccolti in LHC, e' stato possibile comprendere il comportamento dell pressioni nella macchina e dunque fare una stima sull'evoluzione delle prestazioni del sistema a vuoto dell'LHC negli anni a venire. Il Capitolo 1 da' una panoramica sul CERN, sugli acceleratori che ospita e in particolare sull'LHC e le LSS, che assumono un ruolo centrale in questo studio. Nel Capitolo 2 vengono introdotte le nozioni fondamentali di fisica e tecnologia del vuoto, dando una posizione di rilievo alla descrizione delle grandezze e degli strumenti utilizzati. Il Capitolo 3 e' integralmente dedicato ai materiali NEG partendo dalla definizione delle grandezze che li caratterizzano fino ad arrivare alla descrizione dei parametri che ne influenzano le caratteristiche. Il Long Shutdown 1 e l'analisi delle pressioni in LHC vengono trattate dettagliatmante nel Capitolo 4. Nei Capitolo 5 e 6 vengono presentati le tecniche e i materiali utilizzati per l'analisi sperimentale e i risultati da essa derivati. Infine nel Capitolo 7 sono raccolte le conclusioni di questo studio.