Copper for particle accelerators : electron stimulated desorption and study of hydrogen content measurement by laser ablation

This Master thesis work has been carried out in the Vacuum, Surface and Coating group of CERN in the framework of the CLIC (Compact Linear Collider) project. In particle accelerators strict requirements concerning the static and dynamic pressure have to be ful lled, in order to avoid interaction of the beam with residual gas molecules. CLIC accelerating structures are designed as modular copper cavities which have to sustain a high electric eld. The high accelerating gradient conceived for CLIC has raised the problem of electron eld emission and resulting stimulated desorption from the surface of the cavities. These phenomena lead to bursts of pressure which are local and of short time scale, therefore not easily detectable. The fi rst part of this work aims to test unbaked copper by electron stimulated desorption for electron energies up to 10 keV. The results have been compared to previously recorded data from a di fferently treated sample. Moreover, improvements to the measurement process and to the experimental system have been implemented in order to increase the system performances. The second part deals with the investigation of hydrogen content measurement by laser ablation. During the bonding procedure of the CLIC cavities performed at high temperature in hydrogen atmosphere, the hydrogen can easily di ffuse in the copper bulk. The investigated method consists of ablating a known amount of material from copper samples, previously treated in the same conditions of the cavities, while recording the hydrogen partial pressure using a mass spectrometer, in order to measure the hydrogen content in the material. In Chapter 1 an overview on the CLIC project, related studies in the fi eld of dynamic vacuum e ffects and the copper sample campaign is given. Chapter 2 deals with the physical background of both electrons stimulated desorption (ESD) and laser-target interaction during ablation. Moreover an introduction to solubility, particularly for hydrogen-copper systems is given in the third section. In Chapter 3 the ESD experimental setup, the measurement procedure and the data are presented. In Chapter 4, the laser ablation setup is described in detail as well as the eff orts done to investigate, estimate and reduce the parasitic source of hydrogen which limits the measurement.

Il presente lavoro di laurea è stato sviluppato in collaborazione con il gruppo Vacuum Surface and Coating del CERN nell'ambito del progetto CLIC (Compact Linear Collider). Negli acceleratori di particelle devono essere soddisfatti severi requisiti dal punto di vista della pressione statica e dinamica per evitare interazioni tra il fascio e le molecole di gas residuo. Le strutture acceleranti di CLIC sono progettate come cavità modulari di rame e devono essere in grado di sostenere elevati campi elettrici. L'elevato gradiente di accelerazione previsto per le strutture acceleranti di CLIC ha sollevato il problema dell'emissione di elettroni per e ffetto di campo e del desorbimento stimolato dalle super cie delle cavità associato. Questi fenomeni inducono picchi di pressione localizzati e temporalmente brevi al punto da non essere facilmente rilevabili. Nell'ambito della prima parte del presente lavoro è stato caratterizzato il desorbimento indotto da elettroni sul rame, nello speci fico su rame non precedentemente sottoposto a processi di bake-out e con elettroni ad energie fino a 10 keV. I risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli acquisiti per un altro campione, anch'esso di rame ma sottoposto ad un diverso trattamento chimico e termico. Inoltre sono state apportate alcune migliorie al metodo di misurazione e all'apparto sperimentale per rendere le misure pi u affi dabili. La seconda parte del presente lavoro, invece, è stata dedicata all'investigazione della fattibilit a e l'applicabilità del metodo di ablazione laser per misure di contenuto di idrogeno. Durante i cicli di assemblaggio delle cavità di CLIC eseguiti ad alta temperatura in atmosfera di idrogeno, l'idrogeno può facilmente diff ondere all'interno del rame. La tecnica investigata prevedede di ablare una quantità nota di materiale da provini di rame, precedentemente sottoposti agli stessi trattamenti delle cavit à, e misurare l'aumento della pressione parziale di idrogeno con uno spettrometro di massa per risalire alla quantit a di idrogeno presente nel materiale. Nel primo capitolo è fornita una panoramica sul progetto CLIC, gli studi degli eff etti dinamici di vuoto e le caratteristiche dei campioni della campagna di test associata. Il secondo capitolo tratta delle basi fisiche del desorbimenno indotto da elettroni (ESD) e dei fenomeni di interazione di un fascio laser intenso con un bersaglio di materiale solido. Inoltre, è introdotto il concetto di solubilità nel caso speci co del sistema idrogeno-rame. La descrizione dell'apparato sperimentale utilizzato per le misure di desorbimento indotto da elettroni, così come i risultati ottenuti, sono discussi nel terzo capitolo. Nel quarto capitolo è descritto nel dettaglio l'apparato sperimentale utilizzato per l'ablazione laser cos come sono discussi i tentativi volti ad indagare, stimare e ridurre la fonte parassita di idrogeno che limita le potenzialità di questo metodo di misura.