Ultra-high vacuum characterisation of collimator materials and coatings for particle accelerators

The High-Luminosity upgrade of the Large Hadron Collider (HL-LHC) aims at extending the discovery potential of the LHC by increasing the luminosity parameter. It turns out that the beam collimation system is one of the bottlenecks for the achievement of the up graded performance in terms of thermo-mechanical properties, vacuum performances and RF impedance, which would induce instabilities in the beam. The research in this thesis aims at extending the knowledge about the vacuum performances of collimator materials and to address the origin of the observed behaviours with the focus on isostatic graphite and molybdenum-carbide graphite (MoGR). The otgassing properties are analysed in Ultra-High Vacuum (UHV) with Thermal Desorption Spectroscopy (TDS) and with an accumulation technique. Both systems are calibrated for quantitative analysis. This work explores the variation of the outgassing and electrical conductivity properties in presence of a molybdenum film deposited through magnetron sputtering. It additionally presents the prospects for the realisation of films with improved characteristics both in terms of electrical resistivity and vacuum compatibility with High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS).

L'High-Luminosity upgrade del Large Hadron Collider (HL-LHC) mira ad estendere il potenziale di scoperta dell'LHC aumentando il parametro luminosità. Il sistema di collimazione del fascio è risultato essere uno degli elementi limitanti per il raggiungimento delle prestazioni desiderate in termini di proprietà termo-meccaniche, di compatibilità con un sistema ad ultra alto vuoto (UHV) e di impedenza RF, che indurrebbe instabilità nel fascio. La ricerca in questa tesi mira ad estendere la conoscenza delle prestazioni del vuoto dei materiali per collimatori e di identificare l'origine delle properietà osservate. I materiali studiati sono la grafite isostatica e il carburo di molibdeno grafite (MoGR). Le proprietà di degasaggio sono analizzate in UHV con Spettroscopia di Desorbimento termico (TDS) e con una tecnica di accumulo del segnale. Entrambi i sistemi sono stati calibrati per l'analisi quantitativa. Questo lavoro esplora la variazione del degasaggio e proprietà di conducibilità elettrica in presenza di un film di molibdeno depositato attraverso Magnetron Sputtering. Presenta inoltre le prospettive per la realizzazione di film con migliori caratteristiche sia in termini di resistività elettrica che compatibilità con UHV depositati tramite High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS).