[論文レビュー] Report on Instrumentation and Methods for In-Situ Measurements of the Secondary Electron Yield in an Accelerator Environment

W. Hartung, D. M. Asner+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2014

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、加速器環境における電子クラウド形成を研究するために、コロンビア電子ストレージリング（CESR）向けに開発されたイン・サイト二次電子yield（SEY）測定システムを提示する。このシステムは、同期放射と電子クラウド効果を含めた実際のビーム条件下で、校正済み電子銃、磁気シールド、漏れ電流および一時的効果の低減に向けた反復的改善を用いて、サンプルにおけるリアルタイムSEY測定を可能にした。これにより、電子クラウド成長のモデリングに不可欠な再現性のあるSEYデータが得られた。

ABSTRACT

The achievable beam current and beam quality of a particle accelerator can be limited by the build-up of an electron cloud (EC) in the vacuum chamber. Secondary electron emission from the walls of the vacuum chamber can contribute to the growth of the electron cloud. An apparatus for in-situ measurements of the secondary electron yield (SEY) of samples in the vacuum chamber of the Cornell Electron Storage Ring (CESR) has been developed in connection with EC studies for the CESR Test Accelerator program (CesrTA). The CesrTA in-situ system, in operation since 2010, allows for SEY measurements as a function of incident electron energy and angle on samples that are exposed to the accelerator environment, typically 5.3 GeV counter-rotating beams of electrons and positrons. The system was designed for periodic measurements to observe beam conditioning of the SEY with discrimination between exposure to direct photons from synchrotron radiation versus scattered photons and cloud electrons. The SEY chambers can be isolated from the CESR beam pipe, allowing us to exchange samples without venting the CESR vacuum chamber. Measurements so far have been on metal surfaces and EC-mitigation coatings. The goal of the SEY measurement program is to improve predictive models for EC build-up and EC-induced beam effects. This report describes the CesrTA in-situ SEY apparatus, the measurement tool and techniques, and iterative improvements therein.

研究の動機と目的

• 実際のビーム条件下、加速器の真空チャンバ表面における二次電子yield（SEY）を信頼性高くイン・サイトで測定する方法の開発。
• ビーム運転中に、直接的な同期放射、散乱光子、および電子クラウド電子によるSEY寄与を区別すること。
• 高真空・高放射線環境下で測定を歪める余分なコーティング効果および漏れ電流を最小限に抑えること。
• ストレージリングの真空を開放せずに、金属およびEC低減コーティングに対して定期的かつ非破壊的にSEY測定を可能にすること。
• ビーム条件に適合した正確なSEYデータを提供することで、電子クラウド蓄積の予測モデルを改善すること。

提案手法

• イン・サイトSEYステーションをCESRの真空チャンバ内に設置し、5.3 GeVの電子陽電子ビーム下で真空を破らずにサンプルの測定を可能にした。
• 電界制御および焦点制御が可能な校正済み電子銃を用い、変動可能なエネルギー（10–1000 eV）および入射角（0°–90°）の明確な電子ビームをサンプルに照射した。
• 磁気シールドおよびファラデーカップを用いて、ビーム誘起電流および電磁干渉から測定システムを分離した。
• 時間依存的漏れ電流および一時的電流を補正するための半経験的漏れ電流モデル（式7）を構築し、測定された電流減衰プロファイルを用いた。
• 2つの同時SEYステーション間のクロストークを防ぐために、電流測定中に「静穏領域」を確保するためのインターフェース同期プロトコルを導入した。
• 同期されたバイアス切り替えと電流サンプリングを用いたデータ取得を行い、正確なタイミング制御（例：バイアス変更後60秒の待機時間）を実施し、安定した測定値を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同期放射と電子クラウド露出を含む実際の加速器ビーム条件下で、二次電子yieldをどのように正確にイン・サイトで測定できるか？
• RQ2 高真空・高放射線環境下での測定誤差の主な要因（例：漏れ電流、一時的応答、充電）は何か、そしてそれらをどのように低減できるか？
• RQ3 ビームコーティングが時間経過とともにSEY値に与える影響はどの程度であり、それらを余分な効果と区別するにはどうすればよいか？
• RQ4 トンネル温度や湿度などの環境要因が、漏れ電流および測定安定性に与える影響は何か？
• RQ5 標準金属およびEC低減コーティングの両方において、運用中のビーム条件下で再現性があり高解像度のSEYデータを取得できるか？

主な発見

• イン・サイトSEYシステムは、5.3 GeVビーム条件下で金属およびEC低減コーティングのSEYを、真空の大幅な乱れを最小限に抑えつつ測定に成功し、長期的な監視を可能にした。
• 漏れ電流はトンネル温度と強く相関しており、ビーム保持中に最大8°C上昇した。これは、セラミック絶縁体または窒素バッキングに起因する熱的または湿度依存的メカニズムを示唆している。
• 半経験的漏れ電流モデル（式7）は、時間依存的漏れ電流を効果的に補正でき、接地抵抗（R∥）は5 TΩから25 TΩの範囲で変動し、測定漏れ電流と逆相関を示した。
• 容量的パラメータΓ∥は時間依存性を示したが、モデルの限界または環境要因によるものと考えられ、測定可能な範囲内に留まった。
• 反復的設計の改善を通じて、焦点制御の向上およびグリッドポイントセグメンテーションの導入により、エネルギー分解能および空間的制御が向上し、再現性のあるSEY測定が達成された。
• 47秒の開始遅延を用いた2つのサンプルにおける同時SEY走査が成功裏に実施され、クロストークが発生しないようにした。電流測定は「静穏領域」に限定され、干渉を避けることができた。