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Title
Low energy ion induced desorption on technical surfaces at room temperature / von Georg Hulla
AuthorHulla, Georg Bernhard
CensorStöri, Herbert ; Benedikt, Michael
Published2009
DescriptionVIII, 124 Bl. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteWien, Techn. Univ., Diss., 2009
Annotation
Zsfassung in dt. Sprache
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Cern / LHC / Vakuum / dynamische Vakuumeffekte / Ionen induzierte desorption / niederenergetisch / Energieverlust / Sputterausbeute / Desorptionsausbeute
Keywords (EN)Cern / LHC / Vacuum / dynamic vacuum effects / ion induced desorption / low energy / energy lost / sputter yield / desorption yield
Keywords (GND)LHC / Vakuum / Energieverlust / Ion / Desorption
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-18869 Persistent Identifier (URN)
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Low energy ion induced desorption on technical surfaces at room temperature [6.47 mb]
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Abstract (German)

Druckinstabilitäten, ausgelöst durch die Freisetzung von Gasen aufgrund eines Ionenbeschusses der Strahlrohrwand, können zu einer starken Beeinträchtigung beim Betrieb von Protonenbeschleunigern führen, da dadurch deren maximale Strahlintensität und somit die letztendlich erzielbare Luminosität verringert werden. Die Wechselwirkung des intensiven Protonenstrahles mit dem Restgas kann zur Ionisation der Gasteilchen führen. Diese erzeugten Ionen können dann durch die Raumladung des Strahles beschleunigt werden und im Weiteren unkontrolliert auf die Strahlrohrwand auftreffen, wo sie wieder Gase wie beispielsweise H2, CH4, C2H4, C2H6, CO und CO2 freisetzen. Diese freigesetzten Gase können wiederum vom zirkulierenden Strahl ionisiert werden, und ein stetiger Druckanstieg im Strahlvakuum ist beobachtbar, der letztendlich auch zu einem Totalverlust des gespeicherten Strahles führen kann. Dieser Effekt wurde erstmals 1970 in den Intersecting Storage Rings (ISR) am Cern beobachtet. Bei einem später beobachteten, langsamen Druckanstieg für einen zirkulierenden Strahl wurde eine Veränderung der Restgaszusammensetzung festgestellt. Um die Oberflächenbearbeitung und Pumpleistung eines Vakuumsystems auf den gewünschten Strahlstrom abstimmen zu können, gibt es Computermodelle (z.B. VASCO code) zur Berechnung von Druckprolen in Beschleuniger- Vakuumsystemen. Diese Modelle sind durch einen Mangel an experimentellen Daten nur beschränkt einsetzbar. Daher ist es im Fall von Ionen notwendig die Abhängigkeit des Desorptionskoezienten, welcher die Anzahl von freigesetzten Teilchen pro auftreffendem Ion angibt, von Masse und Energie des auftreffenden Ions genau zu untersuchen. Hierzu wurden Desorptionsausbeuten von sauerstfffreien OFHC-Kupfer Proben für verschiedene Edelgas- und Restgasionen, wie beispielsweise H2+, CH4+, CO+ und CO2+ bestimmt. Die gemessenen Abhängigkeiten der Desorptionskoeffizienten von Masse, Energie und Natur der einfallenden Ionen werden in dieser Arbeit präsentiert. In diesem Zusammenhang wurden Messungen über die Abnahme des Desorptionskoezienten mit zunehmender Ionendosis, auch bekannt als "beam cleaning", an OFHC-Kupfer Proben und anderen Materialien durchgeführt. Von diesen Messungen abgeleitete Desorptionswirkungsquerschnitte werden mit Ergebnissen aus vergleichbaren Messungen in der Literatur verglichen. Ein Modell, welches Sputterausbeuten auf den elektrischen und nuklearen Energieverlust von Teilchen in Materie bezieht, wird in vereinfachter Form zur Berechnung der Desorptionsausbeuten angewandt. Rückschlüsse bezüglich des Einflusses von Masse und Energie der einfallenden Ionen auf den Desorptionsmechanismus werden diskutiert.

Abstract (English)

The ion-induced pressure instability is a hard limitation for the maximum intensity, and hence the ultimate luminosity achievable in a proton accelerator. This instability is due to the interaction of high intensity proton beams with the residual gas generating positive ions. These ions, accelerated by the beam space charge, impact on the vacuum chamber wall and lead to the desorption of gaseous species like H2, CH4, C2H4, C2H6, CO and CO2. These gases can in turn be ionized by the circulating beam, and initiate a pressure run-away process causing the loss of the stored beam. This phenomenon was rst registered right at the beginning of operation of the Intersecting Storage Rings (ISR) at CERN in 1970. Later on, a long term evolution of the pressure was recorded for a stable stored beam current where a change of the residual gas composition was measured. In order to adapt the pumping speed and the surface treatments to the desired circulating beam currents, mathematical tools (e.g. VASCO code) exist to calculate pressure proles in accelerator vacuum systems. A key input for these programs is the desorption yield of the surface, i.e. the number of molecules released by incoming ions and one of the limitations of these programs results from the lack of data concerning the ion-induced desorption yields dependence on the nature and mass of the incident ions. To improve our knowledge of these desorption yields, the ion-induced desorption of Oxygen-Free High Conductivity (OFHC) copper samples has been studied at room temperature for various primary ions: noble gas ions and ions produced by the ionization of the common gases encountered in accelerator vacuum systems, i.e. H2+, CH4+, CO+ and CO2+. The measured dependence of the desorption yields on the mass, energy and nature of the incident ions ispresented and discussed. In this context, the decrease of the ion-induced desorption yield as a function of the incident ion dose (so called "beam cleaning") has been studied for OFHC-copper and other materials. From these measurements, desorption cross-sections have been calculated and are compared with results from corresponding measurements found in the literature. A model, which relates the sputter yield with the nuclear and electronic energy loss of ions in matter, has been applied to the ion-induced desorption: Conclusions concerning the influence of the mass and energy on the mechanism of desorption are presented.

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