Modification of the surface properties using ion and electron beams

Abstract

This dissertation presents applied research on the electron irradiation-induced emission of electrons and molecules and thermally controlled gas adsorption and desorption at cryogenic temperatures. Various technical-grade metal surfaces and functional surface coatings and treatments are studied under conditions relevant to many technical applications. A particular focus is on understanding the electron cloud and dynamic vacuum phenomena in CERN’s Large Hadron Collider (LHC), which operates at cryogenic temperatures below 20 K. Its electron cloud is characterised by low energies in 0–1 keV range but high doses up to 10 mC.mm−2 . Such conditions are controllably reproduced in a newly developed cryogenic laboratory setup designed for collector-based measurements of Secondary electron emission (SEY), electron stimulated desorption (ESD), and temperature programmed desorption (TPD) at high sensitivity, precision, and accuracy. The experimental results are acquired, analysed and systematically discussed in detail. Finally, semiempirical parametric models of the SEY and ESD yields are developed to capture the energy, dose, angle, temperature and composition dependencies, allowing further use in the field. While emphasising the LHC’s electron cloud-induced dynamic vacuum effect and related phenomena, the research findings are interpreted in a generalist manner, making them relevant to other accelerators and technical applications.

Tato disertační práce se zabývá aplikovaným výzkumem emise elektronů a molekul vyvolané elektronovým zářením a tepelně řízenou adsorpci a desorpci plynů za kryogenních teplot. Studovány jsou různé technické kovové povrchy a funkční povlaky a povrchové úpravy za podmínek relevantních pro mnoho technických aplikací. Zvláštní pozornost se věnuje jevům elektronového oblaku a dynamického vakua ve Velkém hadronovém urychlovači (LHC), který pracuje za kryogenních teplot pod 20 K, a jehož elektronový oblak má nízké energie v rozmezí 0–1 keV ale vysoké dávky až po 10 mC.mm−2 . Takové podmínky lze řízeně reprodukovat v nově vyvinutém kryogenním laboratorním systému určeném pro vysoce citlivé a přesné kolektorové měření sekundární elektronové emise (SEY), elektronově stimulované desorpce (ESD) a teplotně programované desorpce (TPD). Získané experimentální výsledky jsou podrobně analyzovány a systematicky diskutovány. Nakonec jsou vyvinuty semiempirické parametrické modely pro jevy SEY a ESD, které zachycují závislosti na energii, dávce, úhlu, teplotě a složení a umožňují další využití výsledků v této oblasti. Přestože je kladen důraz na efekt dynamického vakua vyvolaný elektronovým mrakem na urychlovači LHC a související jevy, jsou výsledky výzkumu interpretovány obecně, takže jsou relevantní i pro jiné urychlovače a technické aplikace.