An ultra-high vacuum system for secondary electron yield measurements and electron-conditioning of particle accelerators materials at cryogenic temperatures : commissioning and first experiments

In the Large Hadron Collider (LHC), the avalanche multiplication of electrons inside the vacuum chamber drives the build-up of an electron cloud, which can impact the performance of the accelerator as it causes a substantial heat load to the cryogenic system. The evolution of the beam pipe chemical state and secondary electron emission properties under the electron cloud activity is known as surface conditioning. Previous studies related the abnormally intense electron cloud developed in some LHC cryogenic sections to the oxidation of the copper beam screen surface to cupric oxide CuO, instead of the cuprous oxide Cu2O normally observed on air exposed copper surfaces. Although copper hydroxide Cu(OH)2 has been proposed as the precursor for CuO growth, the investigations on the origin of this oxide have been limited by the absence of capabilities to perform surface analyses at cryogenic temperatures in the experimental systems available at CERN. The first part of this work describes the commissioning of a new ultra-high vacuum (UHV) system for surface conditioning, Secondary Electron Yield (SEY) measurement and X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) analysis at 15 K. The commissioning includes the assessment of the sample cooling capacity, the calibration of the XPS setup, the alignment and optimization of the electron source for surface irradiation, and a thorough testing and benchmarking for the SEY measurement setup. The latter evidenced the need for a full reconsideration of the use of the sample current method for SEY acquisition. The observation of carbon growth on the sample surface during electron irradiation has led to the definition and validation of an alternative procedure for electron-induced surface conditioning. Performed conditioning experiments demonstrated that CuO at the surface of copper is not decomposing to Cu2O upon 250 eV electron irradiation in UHV at 15 K, while this chemical reduction occurs at room temperature. This stability of the CuO surface at LHC operation conditions together with the higher SEY of CuO is a first indication for the irregular scattering of the heat load in the different LHC sectors. The performed experiments further reveal the formation of a CuO-like compound by cryogenic temperature conditioning of airborne Cu(OH)2, corroborating the current hypothesis on the origin of the LHC heat-load issue, and provide essential inputs for the identification of curative solutions.

La moltiplicazione di elettroni nel sistema a vuoto durante il funzionamento del Large Hadron Collider (LHC) determina l'accumulo di una carica spaziale, nota come electron cloud, la quale limita le prestazioni dell'acceleratore e ne sollecita il sistema criogenico con un carico termico critico. La progressiva esposizione di una superficie a bombardamento elettronico induce un'evoluzione della sua composizione chimica e del suo rendimento di elettroni secondari, un fenomeno comunemente denominato conditioning. Studi precedenti hanno ricondotto l'inaspettato intenso electron cloud osservato in alcuni settori criogenici di LHC alla formazione di ossido rameico CuO sulla superficie del sistema a vuoto, invece del comune ossido rameoso Cu2O normalmente osservato su superfici di rame esposte all'aria. Sebbene la trasformazione dell'idrossido di rame Cu(OH)2 sia stata proposta come meccanismo per la produzione di CuO in LHC, la verifica di tale ipotesi era stata limitata dalla mancanza, al CERN, di strumenti che permettessero l'analisi di superficie alle temperature criogeniche di esercizio dell'acceleratore. La prima parte di questo lavoro tratta della messa in esercizio di un nuovo sistema in ultra-alto vuoto per lo studio del conditioning di superfici a 15 K. Tale processo include la convalida delle capacità di raffreddamento del campione, la calibrazione dello strumento di spettroscopia fotoelettronica a raggi X, l'allineamento e ottimizzazione della sorgente di elettroni per l'irraggiamento di superfici, ed un'estesa campagna di validazione per il sistema di misura del rendimento di elettroni secondari. Quest'ultima fase ha evidenziato la necessità di una rivalutazione critica della tecnica di misura, nota come sample current method. Inoltre, in seguito all'osservazione di contaminazione da carbonio della superficie dei campioni sottoposti a bombardamento elettronico, è stata sviluppata una procedura alternativa per l'irraggiamento. Nella seconda parte del lavoro viene dimostrato che l'ossido rameico CuO sulla superficie di campioni di rame non viene ridotto a ossido rameoso Cu2O sotto bombardamento elettronico a 250 eV in ultra-alto vuoto a 15 K, a differenza di quanto osservato a temperatura ambiente. Tale stabilità della superficie di CuO nelle condizioni operative di LHC e il suo maggiore rendimento di elettroni secondari rappresentano una prima indicazione per comprendere l'inomogeneità del carico termico nei diversi settori di LHC. L'osservazione della produzione di un composto simile a CuO durante il conditioning di Cu(OH)2 a temperature criogeniche in laboratorio avvalora le attuali ipotesi sull'origine del problema, ed apporta contributi essenziali per l'identificazione di soluzioni curative.