[論文レビュー] Secondary Electron Yield Measurements of TiN Coating and TiZrV Getter Film

F. Le Pimpec, F. King+2 more|ArXiv.org|Oct 15, 2003

Muon and positron interactions and applications被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、粒子加速器における電子クラウド効果を軽減するための鍵となる候補材料である窒化チタン（TiN）およびチタン・ジルコニウム・バナジウム（TiZrV）ゲッター膜の二次電子発生率（SEY）を測定した。超高真空（UHV）を用いた独自の装置を用い、電子銃、XPS、およびイン・スイット加熱を組み合わせた実験により、22日間の超高真空下でSEYが約1.3から約1.6に増加することが判明した。これは、以前のCERNの測定結果とは矛盾しており、ビームダイナミクスのシミュレーション入力に注意を要することを示唆している。

ABSTRACT

In the beam pipe of the positron Main Damping Ring (MDR) of the Next Linear Collider (NLC), ionization of residual gases and secondary electron emission give rise to an electron cloud which can cause the loss of the circulating beam. One path to avoid the electron cloud is to ensure that the vacuum wall has low secondary emission yield and, therefore, we need to know the secondary emission yield (SEY) for candidate wall coatings. We report on SEY measurements at SLAC on titanium nitride (TiN) and titanium-zirconium-vanadium (TiZrV) thin sputter-deposited films, as well as describe our experimental setup.

研究の動機と目的

• ビームチューブコーティングに用いられるTiNおよびTiZrV薄膜の二次電子発生率（SEY）を測定し、電子クラウドの発生を抑制することを目的とする。
• 表面活性化および真空露出がTiZrVゲッター膜のSEYの変化に与える影響を評価することを目的とする。
• 超高真空条件下でイン・スイットSEY測定が可能な実験装置の開発および検証を目的とする。
• 実際の加速器の真空環境下における低SEYコーティングの長期的安定性および性能を評価することを目的とする。
• ビームライン用途におけるSEY低減に寄与する表面処理（電子・イオンビーム照射）の影響を調査することを目的とする。

提案手法

• ロードロックおよび測定室を備えた二チャンバ型UHVシステムにより、10^-10 Torr未満の圧力下で試料の搬送とイン・スイット分析が可能となった。
• 0–3 keVおよび1–20 keVの電子銃を用いてSEYの測定および表面不純物分析のためのオイラー・エレクトロン分光法（AES）を実施した。
• 1.49 keVのX線源を用いたX線光電子分光法（XPS）により、化学状態の分析とXRFを用いた膜厚測定が可能となった。
• Omniax®試料ホルダーを用い、電子ビーム照射または抵抗フィラメントによるイン・スイット加熱が可能であり、熱電対およびキャリブレーション済み赤外ピロメーターを用いて温度をモニタリングした。
• TiZrVの表面活性化は、216 °Cに加熱した際の酸素濃度低下をXPSで追跡することでモニタリングされた。
• 入射電子エネルギーの関数としてSEYを測定し、22日間の真空下での再汚染効果も調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 到着時におけるTiNおよびTiZrV薄膜の超高真空下での二次電子発生率（SEY）はどの程度か？
• RQ2 TiZrVゲッター膜のSEYは、真空露出および残留ガス吸着の影響を受けて時間経過とともにどのように変化するか？
• RQ3 TiZrVの表面活性化によってSEYはどの程度低減されるのか？また、CERNが報告した値と比較してどうなるか？
• RQ4 イン・スイット加熱および電子・イオン条件処理は、TiNおよびTiZrVコーティングのSEYにどのように影響を与えるか？
• RQ5 表面粗さおよびポンピング速度は、薄膜ゲッター系におけるSEYの変化にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 到着時におけるTiZrV薄膜の最大二次電子発生率（δ_max）は約1.3であったが、約3×10^-10 Torrの真空下で22日間露出した後には約1.6に増加した。
• 観察されたSEYの増加は、類似条件下でTiZrVの最大δ_maxが1.35であると予測していた以前のCERNの測定結果と矛盾している。
• XPS分析により、216 °Cでの加熱によりTiZrV表面が酸化状態から金属状態に移行したことが確認され、効果的なゲッター活性化が達成されたことが示された。
• TiZrV膜は1日あたり約0.6モノレイヤー（ML）のCOをポンプし続け、11日目以降も活性を維持していたことから、初期の飽和後も残留ポンピング能力が残存していることが示唆された。
• 本研究では、表面粗さ（R > 1）が再汚染を引き起こす可能性があり、初期の活性化後でさえSEYの継続的増加に寄与している可能性があると判明した。
• 本研究の結果から、シミュレーションにおいて20 eV未満のSEY値を用いる際には注意を要することが示唆された。なぜなら、それらは実際の加速器環境における長期的挙動を反映していない可能性があるからである。