Experimental investigation of the multipacting phenomenon in particle accelerators

Abstract

Die aktuelle Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung des Multipacting Phänomens in Teilchenbeschleunigern und der damit verbundenen Oberflächen Konditionierung. Dazu wurde ein RF-Resonator, bestehend aus einem 1 m langem Teil eines Strahlrohres aus rostfreiem Stahl entlang welchem ein Draht gespannt ist, verwendet. Der Strom an Elektronen die auf die Wand auftreffen und der Druckanstieg während des Multipactings wurden mit Hilfe eines Streifendetektors und einem Vakuummeter aufgezeichnet. Nach etwa 11 Tagen Konditionierung via Multipacting wurde die Oberfläche des Strahlrohres durch Messung der Oberflächenzusammensetzung mittels XPS und Messung der Sekundärelektronenausbeute (SEY) charakterisiert. Verschiedene Parameter wurden im Laufe dieser Arbeit variiert um die Oberflächenkonditionierung zu optimieren. Im Zuge dessen ist die Wirkung der Superposition des Hochfrequenzsignals mit einer DC-Biasspannung und die Wirkung von Dodecan und Acetylen Injektion während dem Multipacting untersucht worden. Auf diese Weise war es möglich nachzuweisen, dass ein SEYmax unter 1.3, dem Schwellenwert für Multipacting im Super Proton Synchrotron, durch Oberflächenkonditionierung mittels Multipacting erreicht werden kann. Desweiteren wurde ein dynamisches Verhalten des Multipacting über die Dauer des Messlaufs beobachtet. Außerdem ist die Wirkung von Exposition an Luft auf die Oberfläche und die damit verbundene Veränderung des SEY untersucht worden.

The current thesis concentrates on the investigation of the Multipacting phenomenon in particle accelerators and the surface conditioning involved. In order to do so a RF resonator consisting of a wire stretched along a 1 m long part of a stainless steel beam pipe was used to initiate Multipacting and mimic the situation of a charged particle beam in an accelerator. The current of electrons impinging on the walls and the pressure rise during the Multipacting were monitored using stripe detectors and a full range gauge. After approximately 11 days of conditioning via Multipacting the surface of the beam pipe was characterized by measuring its composition by XPS and measuring the secondary electron yield (SEY). Different parameters were varied in several conditioning runs in order to optimise the surface conditioning process. Hence, the effect of superimposing the RF signal with a DC bias voltage and the effect of dodecane and acetylene injection during Multipacting were studied. In this way it was possible to prove the feasibility of reaching an SEYmax below 1.3, the threshold value for Multipacting in the Super Proton Synchrotron. Furthermore, a dynamic behaviour of the Multipacting over the duration of the measurement run was observed. Additional measurements regarding the effect of air exposure on the conditioned surface and the correlated change in SEY were performed.