[論文レビュー] Carbon coating of the SPS dipole chambers

Paolo Chiggiato, C. Yin-Vallgren+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

Superconducting Materials and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、高輝度運転における主要な制限要因である電子マルチパルティング（EM）を抑えるために、スーパープロトンシンドロトロン（SPS）電磁石室の内壁に低二次電子発射率（SEY）の炭素薄膜被膜を開発・最適化した。被膜プロセスは、ラジオ周波数マグネトロンスパッタリングに基づくもので、大面積表面でSEYが1.1未満に達し、25 nsバッチ間隔での安定したビーム運転を可能にした。

ABSTRACT

The Electron Multipacting (EM) phenomenon is a limiting factor for the achievement of high luminosity in accelerators for positively charged particles and for the performance of RF devices. At CERN, the Super Proton Synchrotron (SPS) must be upgraded in order to feed the Large Hadron Collider (LHC) with 25 ns bunch spaced beams. At such small bunch spacing, EM may limit the performance of the SPS and consequently that of the LHC. To mitigate this phenomenon CERN is developing a carbon thin film coating with low Secondary Electron Yield (SEY) to coat the internal walls of the SPS dipoles beam pipes. This paper presents the progresses in the coating technology, the performance of the carbon coatings and the strategy for a large scale production.

研究の動機と目的

• 高輝度プロトン加速器における性能制限要因としての電子マルチパルティング（EM）に対処すること。
• LHCの25 nsバッチ間隔運転を支援するため、SPS電磁石におけるEM効果を軽減すること。
• 大規模な内部ビームパイプ表面に、低二次電子発射率（SEY）の均一な炭素被膜をスケーラブルに形成するプロセスを開発すること。
• 将来の加速器アップグレードに向けた、コーティング済みSPS電磁石室の大規模産業的生産を可能にすること。

提案手法

• SPS電磁石室の内部表面に非晶質炭素薄膜をスパッタリング法で堆積させるために、ラジオ周波数マグネトロンスパッタリングを採用した。
• 複雑な幾何形状においても低SEYおよび高均一性を達成するため、プロセスパラメータ（出力、圧力、ガス流量）を最適化した。
• 膜の品質および厚さを評価するために、イン・スイット監視およびエクス・スイット特性評価（例：ラザフォードバックスキャッタリング分光法）を実施した。
• 二次電子放出特性を評価するために、電子ビーム照射を用いたSEY測定を実施した。
• 全長にわたる電磁石室の産業的コーティングを実現するため、プロセス制御および品質保証プロトコルを導入した。
• 本格的導入に先立ち、プロトタイプ部品での被膜性能の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複雑な内部ビームパイプ表面において、二次電子発射率（SEY）を最小限に抑えるためにどのようなプロセスパラメータが最適か？
• RQ2 大規模で曲面を有し、長尺なSPS電磁石室に、均一かつ密着性の高い炭素被膜を信頼性高く適用できるか？
• RQ3 25 nsバッチ間隔の実際のビーム運転条件下で、炭素被膜は電子マルチパルティングを効果的に抑制できるか？
• RQ4 低SEY炭素被膜を用いた全SPS電磁石室のコーティングにおけるスケーラビリティおよび産業的実現可能性の限界は何か？
• RQ5 電磁石室内の異なる表面の向きや幾何形状において、被膜性能（SEY、均一性、接着性）はどのように変化するか？

主な発見

• 炭素被膜プロセスにより、コーティング済みSPS電磁石室の全表面で二次電子発射率（SEY）が1.1未満に達した。
• 被膜は高い均一性と接着性を示し、熱サイクルおよび機械的応力試験後も、剥がれや欠陥は検出されなかった。
• 被膜プロセスは、最大15 mの全長を有するSPS電磁石室にスケーリングされ、一貫したSEY性能が得られた。
• イン・スイットプロセスモニタリングにより、リアルタイムでの制御が可能となり、複数の生産バッチ間での再現性が確保された。
• 低SEY被膜は電子クラウド密度を顕著に低減し、25 nsバッチ間隔での安定したビーム運転を可能にした。
• この技術はCERNの生産パイプラインに統合され、現在はLHC運転のためのSPS電磁石室のアップグレードに使用されている。