Experimental investigation on the electron multipacting and the surface conditioning

The electron cloud build-up induced by the particles beam is one the major limitations inside the High Luminosity project for the LHC. The multipacting is an RF resonant electron discharge sustained by secondary emission, it induces the electron cloud development and, inside the accelerators cavities, causes pressure rises, heat loads and beam instabilities. It is ruled by the beam parameters, the magnetic field and the surfaces' SEY (secondary electron yield). To fulfill the targets of the HL and LIU projects, it is required a reduction of the beam-pipes' secondary yield in the SPS. The SEY is reduced by either thin films coatings or beam scrubbing (beam conditioning). The amorphous carbon coatings seem a promising solution, with an SEY around 1. The beam scrubbing, instead, uses the beam induced multipacting to irradiate the pipes with energetic electrons, which scrub the surface by electron stimulated desorption (ESD) and surface graphitization. Two RF test-benches are built with MBB or MBA profiled dipoles chambers crossed by a W wire, they work as RF resonators. The wire develops the electric field to ignite the multipacting, which is detected by the ESD peaks and the perturbation of the RF modes of the resonators. One of the set-up is provided of an electron cloud monitor to measure the e-cloud current. The test-benches stimulate the multipacting with a defined frequency for long periods of time to condition the surfaces. The present work focuses on the use of the electron scrubbing to suppress the electron cloud and the behavior of the multipacting according the magnetic field intensity. In addition, a leak valve for the injection of hydrocarbon gases is installed on one of the systems to achieve a faster SEY reduction, using, for instance, Acetyelene or Dodecane. Lastly, it is investigated the efficiency of low SEY a-C coatings in suppressing the multipacting.

L'electron cloud causato dal passaggio di un fascio di particelle è una delle maggiori limitazioni nel progetto di alta luminosità del CERN Large Hadron Collider. Il multipacting è una scarica risonante di elettroni sostenuta da emissione di elettroni secondari dalle superfici, questo comporta la formazione dell'electron cloud. All'interno di un acceleratore causa aumenti di pressione, surriscaldamenti ed instabilità di fascio. Il multipacting è influenzato dai parametri del fascio, il campo magnetico e l'efficienza di emissione di elettroni secondari, SEY. Per soddisfare le richieste del progetto di alta luminosità è necessario ridurre il coefficiente di emissione di secondari delle superfici. Il secondary yield è ridotto attraverso film sottili e beam scrubbing (o beam conditioning). I film sottili in Carbonio sono soluzioni valide, con un SEY intorno ad 1. Il beam conditioning, invece, utilizza l'electron cloud per bombardare le superfici con elettroni energetici che riducono l'emissione di secondari attraverso desorbimento elettrostimolato(ESD) e deposizione di un film grafitico. Due banchi di prova in radiofrequenza sono stati creati all'interno delle camere dei dipoli MBA ed MBB del Super Proton Synchrotron, installando un cavo di tungsteno coassiale alle camere per costruire dei risonatori. Il cavo in tungsteno è alimentato in radiofrequenza per stimolare il multipacting, che viene misurato tramite i picchi di ESD e la distorsione dei modi di risonanza dei risonatori. Uno dei set-up contiene un electron cloud monitor per misurare le correnti di e-cloud. I risonatori inducono il multipacting con una frequenza predefinita durante lunghi intervalli di tempo al fine di condizionare le superfici. Il presente lavoro studia l'uso del beam conditioning sulle superfici per sopprimere l'e-cloud e la dipendenza del multipacting dall'intensità del campo magnetico. Inoltre, uno dei sistemi è fornito di una linea di iniezione per gas idrocarburi al fine di accelerare il condizionamento delle superfici, nello specifico sono stati usati Dodecano ed Acetilene. Infine, viene studiata l'efficacia di un film di Carbonio a basso SEY nel sopprimere l'electron cloud.