Electron stimulated desorption of condensed gases on cryogenic surfaces

Abstract

In den meisten Ultrahochvakuumanlagen bestimmen die Gasabgabe von Festkörpern und die Desorption von Oberflächenadsorbaten Enddruck und Zusammensetzung des Restgases. Speziell im Strahlvakuum von Beschleunigern wie dem LHC, wo Oberflächen intensiver Synchrotronstrahlung und Beschuss durch energetische Ionen und Elektronen ausgesetzt sind, können Oberflächeneigenschaften wie Desorptionsrate oder Sekundärelektronenrate den Betrieb des Beschleunigers wesentlich beeinflussen.<br />In Teilchenbeschleunigern, die bei flüssiger Heliumtemperatur arbeiten, sind die kalten Oberflächen dem Beschuss von energetischen Photonen, Elektronen und Ionen ausgesetzt. Die durch die ständige Desorption frei werdenden Gase, kondensieren erneut an den kalten Oberflächen und werden wieder von den auftreffenden Elektronen und Ionen desorbiert. Das nach einiger Zeit entstehende Gleichgewicht der Gasbedeckung auf den Oberflächen, die dem Beschuss der energetischen Teilchen ausgesetzt sind, hängt von der Desorptionsrate des kondensierten Gases ab und kann den Betrieb des Beschleunigers durch die veränderte Sekundärelektronenrate dieser Oberflächen beeinflussen.<br />Es wurden die Desorptionsraten von verschiedenen Gasen die auf einer 4.2K gekühlten Kupferoberfläche kondensieren unter Elektronenbeschuss gemessen. Diese sind zusammen mit den Werten des Haftungskoeffizienten von diesen Gasen bei 4.2K dargestellt. Ein Modell um die Veränderungen der Desorptionsrate mit der Oberflächenbedeckung zu erklären wird ebenfalls beschrieben.<br />In dieser Arbeit wurde die elektronenstimulierte Desorptionsrate bei tiefen Temperaturen gemessen. Dieser Parameter ist von Wichtigkeit um das Vakuumverhalten im LHC unter Anwesenheit einer Elektronenwolke zu verstehen und vorauszusagen, da in diesem Fall die elektronenstimulierte Desorptionsrate die Hauptgasquelle ist. Von speziellem Interesse ist die Veränderung der elektronenstimulierten Desorptionsrate mit der Gasbedeckung, weil die meisten Gase, mit Ausnahme von Wasserstoff, auf der Strahlrohroberfläche kondensieren und dies zu einer Erhöhung der Moleküldichte pro Einheitsfläche führt. Die Messung der elektronenstimulierten Desorptionsrate benötigt ein System wo man erstens die Anzahl der Elektronen, die dann auf die auf Heliumtemperatur gekühlte Probe beschleunigt werden, kennt; zweitens, die Art und Menge der desorbierenden Moleküle messen kann und drittens eine vorherbestimmte Gasmenge hineinströmen lassen kann welches an der kalten Probe kondensiert.<br />

In ultra-high vacuum systems outgassing from vacuum chamber walls and desorption from surface adsorbates are usually the factors which influence pressure and residual gas composition. In particular in beam vacuum systems of accelerators like the LHC, where surfaces are exposed to intense synchrotron radiation and bombardment by energetic ions and electrons, properties like the molecular desorption yield or secondary electron yield can strongly influence the performance of the accelerator.<br />In high-energy particle accelerators operating at liquid helium temperature, cold surfaces are exposed to the bombardment of energetic photons, electrons and ions. The gases released by the subsequent desorption are re-condensed on the cold surfaces and can be re-desorbed by the impinging electrons and ions. The equilibrium coverage reached on the surfaces exposed to the impact of energetic particles depends on the desorption yield of the condensed gases and can affect the operation of the accelerator by modifying the secondary electron yield of these surfaces.<br />The desorption yields under electron impact of various gases condensed on a copper surface cooled at 4.2K have been measured and will be presented together with the values of the sticking coe±cient of these gases on a 4.2K condensing surface. A model to explain the variation of the desorption yields with the surface coverage will also be described.<br />In this work the electron stimulated desorption yield (ESDY) at cryogenic temperatures has been measured. This parameter is of importance to understand and predict the vacuum behavior in the LHC, in the presence of an electron cloud, as in that case the electron induced desorption will be the main gas source. Of particular interest is the variation of the electron induced desorption yield with the gas coverage as most gases (with the exception of hydrogen) condense on the beam screen surface, which leads to an increased density of molecules per unit area. The measurement of the ESDY requires a measuring system where first a known amount of electrons can be accelerated to a target cooled at helium temperature, second the nature and the number of desorbed molecules can be measured and third a predetermined quantity of gas can be injected and condensed on the cold target.<br />