Influence of Nitrogen Doping of Amorphous Carbon on its Secondary Electron Yield

Abstract

The presence of an electron cloud in particle accelerator facilities is recognized as a signif- icant limitation. These electron clouds form due to a multipacting effect, where initiating electrons are accelerated in the electric field produced by the primary beam bunches, hitting the chamber walls and generating secondary electrons. The latter are then multi- plied, eventually leading to the formation of the electron cloud. One proposed solution to mitigate this problem is to coat the inner walls of particle accelerators with a stable material with low Secondary Electron Yield (SEY). In this context, findings at CERN indicate that amorphous carbon coatings are highly suitable for this purpose due to their low SEY and high chemical inertness. However, contamination with hydrogen has been observed to produce unsatisfactory SEY results and contribute to the degradation of the coatings. Studies performed at CERN suggest that an effective approach to overcome this issue is the controlled introduction of nitrogen during film contamination, resulting in an effective reduction of SEY. The objective of this project was to deepen the study on the incorporation of nitrogen in amorphous carbon films and its effect on SEY. In the first stance, before nitrogen incorporation, the focus was on understanding the influence of various deposition parameters on SEY, intending to establish a correlation. Amorphous carbon was coated using the magnetron sputtering technique, utilizing a graphite target for deposition, along with argon as the operating gas to which varying amounts of nitrogen were later added. The characterization of the films was done through X-ray photoelectron spectroscopy and the SEY was measured. The optimal deposition parameters for reducing SEY were identified. While some questions remain unanswered for nitrogen doping, we were able to identify some structural properties fingerprints, their correlation with SEY, and overall a more in-depth interpretation of this topic.

A presença de uma nuvem de eletrões em instalações de aceleradores de partículas é reconhecida como uma limitação significante. Estas nuvens de eletrões são formadas devido a um efeito de multiplicação, onde eletrões iniciantes são acelerados pelo campo elétrico produzido pelo conjunto de feixe primário, colidindo com as paredes da câmara e gerando eletrões secundários. Estes últimos são entao multiplicados, levando á eventual formação da nuvem de eletrões. Uma solução proposta para mitigar este problema é re- vestir as paredes internas dos aceleradores de partículas com um material estável e baixo índice the eletrões secundários (IES). Neste contexto, descobertas no CERN indicam que revestimentos de carbono amorfo são altamente adequados para este propósito devido ao seu baixo IES e alta inércia química. No entanto, foi observado que a contaminação com hidrogénio produz resultados insatisfatórios de SEY e contribui para a degradação dos revestimentos. Estudos realizados no CERN sugerem que uma abordagem eficaz para superar este problema é a incorporação controlada de azoto durante a contaminação do filme, resultando numa redução efetiva do SEY. O objetivo deste projeto foi aprofundar o estudo na incorporação de azoto nos filmes de carbono amorfo e o seu efeito no IES. Num primeiro instante, antes da incorporação de azoto, o foco foi perceber a influência de diversos parâmetros de deposição no IES, com a intenção de estabelecer uma correlação. O carbono amorfo foi revestido usando a técnica de pulverização por magnetrão, utilizando um alvo de grafite para deposição, assim como árgon como gás de operação ao qual foram posteriormente adicionadas quantidades variáveis de azoto. A caracterização dos filmes foi feita por espetroscopia de fotoeletrões de raios-X e o IES foi medido. Os parâmetros ótimos de deposição para reduzir o IES foram identificados. Embora algumas questões permaneçam sem resposta para a dopagem com azoto, fomos capazes de identificar al- gumas características estruturais, a sua correlação com o IES e, no geral, uma exploração mais aprofundada deste tópico.