Influence of Hydrogen Contamination on Electron Emission Properties of Amorphous Carbon Coatings used in Particle Accelerators

Abstract

Formation of an electron cloud is considered as one of the major limitations in modern particle accelerators, causing beam instabilities and introducing pressure and thermal load to the system. The cloud formation begins with the ejection of seeding electrons due to gas ionization by the accelerated particles or by photoelectron emission from the pipe walls induced by synchrotron radiation. Then, an avalanche process takes place in which electrons are accelerated by the beam potential towards the pipe walls causing secondary electron multiplication. One of the main strategies to mitigate this effect in the CERN facilities is coating the inner walls of the accelerator’s pipes with graphitic amorphous carbon, known for having sufficiently low Secondary Electron Yield (SEY) to prevent electron cloud formation. However, in the case of contamination of coatings by hydrogen, which may occur during the deposition process, the SEY of these films can exceed the values for the safe operation of the accelerator. While it is known that increased SEY can be correlated with increased relative content of sp3 carbon in the coatings, details of the correlation between the composition and electron structure of the coating and its secondary electron yield are not yet understood. One example is SEY of highly oriented pyrolytic graphite (pure sp2 carbon) which has higher SEY than optimized amorphous carbon. In this work, a detailed investigation of the composition and electronic structure of amorphous carbon coatings with different amounts of added deuterium is performed, using X-ray and UV photoelectron spectroscopy, secondary ion mass spectrometry, electron spectroscopy of secondary electrons and optical absorption spectroscopy. The results of this analysis were correlated with the SEY.

A formação de uma nuvem de eletrões é considerada uma das principais limitações dos aceleradores de partículas modernos, causando instabilidades no feixe e provocando o aumento de pressão e temperatura no sistema. A formação da nuvem começa com a ejecção dos eletrões semeadores devido à ionização do gás pelas partículas aceleradas ou pela emissão de fotoeletrões das paredes dos tubos induzida pela radiação de sincrotrão. Em seguida, ocorre um processo de avalanche no qual os eletrões são acelerados pelo potencial do feixe em direcção às paredes do tubo, provocando a multiplicação de eletrões secundários. Uma das principais estratégias para mitigar esse efeito nas instalações do CERN é revestir as paredes internas dos tubos do acelerador com carbono amorfo grafítico, conhecido por ter Taxa de emissão de eletrões secundários, ou SEY, suficientemente baixo para evitar a formação de nuvem de eletrões. Porém, no caso de contaminação de revestimentos por hidrogénio, que pode ocorrer durante o processo de deposição, a SEY desses filmes pode ultrapassar os valores para o funcionamento seguro do acelerador. Embora se saiba que o aumento de SEY pode ser correlacionado com o aumento do conteúdo relativo de carbono sp3 nos revestimentos, os detalhes da correlação entre a composição e a estrutura de eletrões do revestimento e seu rendimento de eletrões secundários ainda não são compreendidos. Um exemplo é a SEY de grafite pirolítica altamente orientada (carbono sp2 puro) que tem SEY mais alto do que o carbono amorfo optimizado. Neste trabalho realizou-se uma investigação detalhada da composição e estrutura eletrónica de revestimentos de carbono amorfo com diferentes quantidades de deutério adicionado, usando espectroscopia de fotoeletrões de raios-X e UV, espectrometria de massa de iões secundários, espectroscopia de eletrões secundários e espectroscopia de absorção óptica. Os resultados destas análises foram correlacionados com a SEY.