[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究确定了欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）束流屏所用技术铜表面二次电子发射系数（SEY）的化学起源。通过在10 eV和500 eV能量下进行电子清洗，作者证明SEY降低与污染物脱附及类石墨碳层的形成相关联，其中最高能量处理使dmax降至1.1，证明了动能在通过电子诱导化学处理实现有效表面处理中的关键作用。

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.

研究动机与目标

• 研究粒子加速器中所用技术铜表面高二次电子发射系数（SEY）背后的化学机制。
• 确定电子辐照如何改变铜束流屏的表面化学性质并降低SEY。
• 确定电子动能在驱动抑制SEY的表面化学转化中的作用。
• 将SEY变化与通过X射线光电子能谱（XPS）测得的表面化学组成相关联。
• 建立技术金属表面电子诱导表面处理的两步模型。

提出的方法

• 采用X射线光电子能谱（XPS）分析原始状态和电子辐照后铜样品的表面化学组成。
• 在10 eV和500 eV动能下，测量电子清洗前后的二次电子发射系数（SEY）。
• 在两种动能（10 eV和500 eV）下应用电子清洗，以诱导表面化学变化。
• 在辐照过程中监测表面物种（特别是氧化相和碳键合）的演变，以建立化学变化与SEY降低之间的关联。
• 基于SEY和表面化学的观测趋势，提出电子诱导表面处理的两步模型。
• 比较低能和高能电子辐照在污染物脱附和类石墨碳形成方面的效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同动能电子清洗如何影响技术铜表面的二次电子发射系数（SEY）？
• RQ2 表面污染物和氧化相在增加铜束流屏SEY中的作用是什么？
• RQ3 电子诱导化学处理如何导致铜表面形成类石墨碳层？
• RQ4 为何更高电子动能（500 eV）相比低能（10 eV）产生更大的SEY降低？
• RQ5 表面化学变化在多大程度上可解释电子清洗过程中观察到的SEY降低？

主要发现

• 原始铜样品由于显著的表面污染，表现出最大二次电子发射系数（dmax）为2.2。
• 经10 eV电子清洗后，dmax降低至1.35，表明弱吸附污染物部分去除。
• 经500 eV电子清洗后，dmax降至1.1，为最低观测值，表明表面清洁和改性更有效。
• 500 eV处理导致形成类石墨碳层，与最低SEY相关联。
• 两种清洗条件下均观察到氧化表面相的减少，但仅500 eV处理诱导了显著的C-C键形成。
• 结果支持一种两步电子诱导表面处理机制：(1) 两种能量下均发生弱吸附污染物脱附；(2) 500 eV下发生高能驱动的解离和碳网络形成。