Sticking coefficients for technical materials in vacuum technology

This master thesis has been developed at CERN, European Centre for Nuclear Research, aiming to better measure the sticking factor of different molecules on the walls of the materials used in vacuum technology. First of all, the interaction between water molecules and stainless steel vacuum chambers has been studied. Water desorption is considered the main obstacle for a fast achievement of UHV (Ultra High Vacuum) pressures in unbaked systems. Using a new experimental set-up the quantities involved in the calculation of the sticking probability have been known and controlled: the quantity of gas injected, the temperature and the quantity of gas adsorbed with high time resolution to evaluate the dynamic phenomena of water absorption. Furthermore, the procedure to calculate the sticking factor has been studied of different molecules (H2, N2 and CO) in vacuum chambers internally coated with a Non-Evaporable Getter (NEG) thin film. These chambers are tested in the lab, before their installation. The aim of the work has been to upgrade the testing procedure avoiding the saturation of the vacuum chamber at the same time is being measured, particularly when measuring gases with high sticking factor like CO. Finally, a new acceptance test set-up has been evaluated by means of fast injections of gas, which should preserve from saturation and allows to measure the sticking factor at higher pressures. 

Il seguente lavoro di laurea è stato sviluppato al CERN, Centro Europeo per la Ricerca Nucleare, con l’obiettivo di comprendere al meglio alcuni aspetti del fenomeno di sticking tra molecole e pareti delle camere utilizzate nella tecnologia del vuoto. Per prima cosa, é stata studiata l’interazione tra molecole d’acqua e pareti metalliche delle camere. Proprio il desorbimento d’acqua, é considerato il maggior problema al raggiungimento delle condizoni di Ultra Alto Vuoto (UHV) nei sistema unbaked. Usando un nuovo set-up sperimentale, é stato possibile conoscere e controllare attivamente le quantitá in gioco nella valutazione della probabilitá di sticking, come la quantitá di gas iniettato, la temperatura e la quantitá di gas adsorbito. Inoltre, é stato testato un nuovo coating in ossido di cromo, cercando di valutare i possibili guadagni in termini di tempo di pump-down rispetto all’acciaio inossidabile. La seconda parte del lavoro si é svolta invece sullo studio della procedura di test di particolari camere a vuoto, internamente rivestite con un thin-film “Non-Evaporable Getter”(NEG). Queste camere, prima della loro installazione, vengono testate in laboratorio. Lo scopo di questo lavoro é stato quello di migliorare la procedura di test, tenendo in considerazione un fenomeno come la saturazione dei siti di adsorbimento della superficie NEG. Infine, é stato proposto un nuovo set-up per test di accettazione delle camere che, utilizzando iniezioni di gas veloci, consente di evitarne la saturazione e allo stesso tempo di riprodurre piu realisticamente le quantitá di gas presenti in acceleratore.