[論文レビュー] The Chemical Origin of SEY at Technical Surfaces

R. Flammini, R. Cimino+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

Electron and X-Ray Spectroscopy Techniques参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のビームスクリーンに使用される技術的銅表面における二次電子発生量（SEY）の化学的起源を特定した。10 eVおよび500 eVの電子スクラブを用いて、著者らはSEYの低減が汚染物質の脱吸およびグラファイト様炭素層の形成と相関することを示した。特に、最高エネルギーの処理によりdmaxが1.1にまで低下したことで、電子誘発化学処理による効果的な表面処理において、運動エネルギーが極めて重要であることが証明された。

ABSTRACT

The secondary emission yield (SEY) properties of colaminated Cu samples for LHC beam screens are correlated to the surface chemical composition determined by X-ray photoelectron spectroscopy. The surface of the "as received" samples is characterized by the presence of significant quantities of contaminating adsorbates and by the maximum of the SEY curve (dmax) being as high as 2.2. After extended electron scrubbing at kinetic energy of 10 and 500 eV, the dmax value drops to the ultimate values of 1.35 and 1.1, respectively. In both cases the surface oxidized phases are significantly reduced, whereas only in the sample scrubbed at 500 eV the formation of a graphitic-like C layer is observed. We find that the electron scrubbing of technical Cu surfaces can be described as occurring in two steps, where the first step consists in the electron induced desorption of weakly bound contaminants that occurs indifferently at 10 and at 500 eV and corresponds to a partial decrease of dmax, and the second step, activated by more energetic electrons and becoming evident at high doses, which increases the number of graphitic-like C-C bonds via the dissociation of adsorbates already contaminating the "as received" surface or accumulating on this surface during irradiation. Our results demonstrate how the kinetic energy of impinging electrons is a crucial parameter when conditioning technical surfaces of Cu and other metals by means of electron induced chemical processing.

研究の動機と目的

• 粒子加速器に使用される技術的銅表面における高い二次電子発生量（SEY）の背後にある化学的メカニズムを調査すること。
• 電子線照射が銅ビームスクリーンの表面化学にどのように影響を与え、SEYを低減するかを特定すること。
• 電子の運動エネルギーがSEYを抑制する表面化学的変化を駆動する役割を特定すること。
• X線フォトンエミッションスペクトロスコピー（XPS）で測定した表面化学組成の変化とSEYの変化を関連付けること。
• 技術的金属表面における電子誘発表面処理の二段階モデルを確立すること。

提案手法

• 表面化学組成の分析には、受領時および電子線照射後の銅試料に対してX線フォトンエミッションスペクトロスコピー（XPS）を用いた。
• 二次電子発生量（SEY）は、10 eVおよび500 eVの運動エネルギーを持つ電子スクラブを施す前後で測定した。
• 表面化学的変化を誘発するために、2種類の運動エネルギー（10 eVおよび500 eV）で電子スクラブを実施した。
• 照射中における表面種（特に酸化状態の相と炭素結合）の変化をモニタリングし、化学的変化とSEY低減の関連を特定した。
• 観察されたSEYおよび表面化学の傾向に基づき、電子誘発表面処理の二段階モデルを構築した。
• 低エネルギーおよび高エネルギー電子線照射の効果を、汚染物質の脱吸およびグラファイト様炭素層形成の観点から比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる運動エネルギーでの電子スクラブが、技術的銅表面の二次電子発生量（SEY）にどのように影響を与えるか？
• RQ2 表面汚染物質および酸化状態の相が、銅ビームスクリーンのSEYを上昇させる役割を果たすか？
• RQ3 電子誘発化学処理が、銅表面にグラファイト様炭素層を形成する仕組みは何か？
• RQ4 なぜ高い電子運動エネルギー（500 eV）が、低いエネルギー（10 eV）よりもSEYの低減効果が顕著に現れるのか？
• RQ5 表面化学の変化が、電子スクラブ中に観察されたSEY低減をどの程度説明できるか？

主な発見

• 受領時銅試料は、顕著な表面汚染のため最大二次電子発生量（dmax）が2.2を示した。
• 10 eVでのスクラブ後、dmaxは1.35に低下し、弱く結合した汚染物質の部分的除去が示された。
• 500 eVでのスクラブ後、dmaxは1.1にまで低下し、観察された最小値となり、より効果的な表面洗浄および改質が確認された。
• 500 eV処理によりグラファイト様炭素層が形成されたが、これは最低SEYと相関した。
• 両方のスクラブ条件において酸化表面相の減少が観察されたが、C-C結合の顕著な形成は500 eV処理でのみ確認された。
• 結果は、二段階の電子誘発表面処理メカニズムを支持するものである：（1）両エネルギーで弱く結合した汚染物質の脱吸、（2）500 eVでの高エネルギー駆動による解離および炭素ネットワーク形成。