Mitigation of Heavy Ion-Stimulated Gas Desorption from Accelerator Components

Ion-stimulated desorption is a serious problem regarding intensity limitation for heavy ion circular accelerators. Lost beam ions colliding with the wall of the beam tube trigger the release of huge amounts of gas. This leads to local pressure increases up to three orders of magnitude, which in turn enhances further beam losses. Future accelerators, such as the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), are designed to deliver ion beams of highest intensities. For stable beam conditions, this requires low desorbing surfaces for beam exposed accelerator components and excellent vacuum conditions with pressures in the range of 10⁻¹² mbar.

The objective of this thesis was to develop surfaces with minimal ion-stimulated desorption by testing a large variety of pretreatment methods for copper, tungsten and aluminum samples including extended ex-situ thermal annealing and different combinations of lapping, polishing, etching and milling as well as sputter cleaning with keV argon ions. In addition, coatings with TiZrV, titanium nitride and carbon were tested.

Ion-stimulated desorption was determined by irradiation experiments with calcium or gold ions with 4.8 MeV/u specific energy at the UNILAC beamline M1 at the GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research. In addition, ion-stimulated desorption measurements with highly charged ions (Au⁷⁸⁺) of different specific energies (2, 3 and 4.8 MeV/u) were conducted at CRYRING. For all experiments, desorption was quantified by recording the pressure increase with a total pressure gauge and a quadrupole mass spectrometer. For ion-stimulated desorption, the pressure increase during irradiation is converted into a number of desorbed molecules per impacting ion, the so-called desorption yield, while in complementary thermal desorption experiments outgassing is quantified by the amount of desorbed gas per surface area (mbar∙l/cm²).

As surface treatments, diamond milling and polishing turned out to be appropriate solutions. Sputter cleaning with keV argon ions also result in a clear reduction of the desorption yield. Ex-situ annealing at 400 °C for about 4 h under ultra-high vacuum conditions was identified as excellent pretreatment method to reduce ion-stimulated desorption. The low desorption is preserved even after storage in atmosphere for at least 11 months. Storage in argon is recommendable, because these samples show lower desorption compared to atmosphere storage. The fact that the low desorption persists under storage in atmosphere is a strong indication that ion-stimulated desorption is not limited to the surface, but that the bulk also plays a significant role. To prepare accelerator components with minimal outgassing, both surface and bulk properties have to be optimized.

Ionen-induzierte Desorption beeinträchtigt das Vakuum und die Strahlqualität in Schwerionen-Ringbeschleunigern. Verlorene Strahlionen setzen bei Kollision mit der Strahlrohrwand große Gasmengen frei. Dies führt zu lokalen Druckanstiegen von bis zu drei Größenordnungen, die weitere Strahlverluste verursachen. Zukünftige Beschleuniger wie die Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) sollen Ionenstrahlen höchster Intensität liefern. Dazu sind hervorragende Vakuumbedingungen mit Drücken im Bereich von 10⁻¹² mbar notwendig. Außerdem müssen strahlexponierte Beschleunigerkomponenten mit niedrig-desorbierenden Oberflächen ausgestattet werden.

Ziel dieser Arbeit war es, Oberflächen mit minimaler Ionen-induzierter Desorption zu entwickeln. Dazu wurde eine Vielzahl von Vorbehandlungsmethoden für Kupfer-, Wolfram- und Aluminiumproben getestet. Die Proben wurden mittels ex-situ Wärmebehandlung und verschiedener Kombinationen von Läppen, Polieren, Ätzen und Fräsen behandelt. Zusätzlich wurden die Reinigung der Oberflächen durch Sputtern mit keV-Argonionen und die Beschichtung mit TiZrV, Titannitrid und Kohlenstoff getestet.

Die Ionen-induzierte Desorption wurde durch Bestrahlungsexperimente mit Calcium- oder Goldionen mit 4,8 MeV/u spezifischer Energie an der UNILAC-Beamline M1 am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionen-forschung bestimmt. Zusätzlich wurden am CRYRING Desorptionsmessungen mit hochgeladenen Ionen (Au⁷⁸⁺) unterschiedlicher spezifischer Energien (2, 3 und 4,8 MeV/u) durchgeführt. Um die Desorption zu quantifizieren, wurde für alle Experimente der Druckanstieg mit einem Totaldruckvakuummeter und einem Quadrupol-Massenspektrometer gemessen. Anschließend wurde der Druckanstieg während der Bestrahlung in die Anzahl desorbierter Moleküle pro auftreffendem Ion, der sogenannten Desorptionsausbeute, umgerechnet. In ergänzenden Experimenten zur thermischen Desorption wurde die Desorption anhand der Menge von desorbiertem Gas pro Fläche (mbar∙l/cm²) quantifiziert.

Als Oberflächenbehandlungen erwiesen sich Diamantfräsen und Polieren als geeignete Lösungen. Auch die Sputter-Reinigung mit keV-Argonionen führt zu einer deutlichen Reduzierung der Desorptionsausbeute. Die vielversprechendste Vorbehandlungsmethode zur Verringerung der Ionen-induzierten Desorption ist eine ex-situ Wärmebehandlung bei 400 °C für ca. 4 h unter Ultrahochvakuum-Bedingungen. Die verringerte Desorption bleibt auch nach Lagerung der Proben an Atmosphäre über mindestens 11 Monaten erhalten. Lagerung in Argon ist jedoch empfehlenswert, da diese Proben im Vergleich zur Lagerung an Atmosphäre eine geringere Desorption aufweisen. Die Tatsache, dass die geringe Desorption bei Lagerung an Atmosphäre bestehen bleibt, ist ein starker Hinweis darauf, dass Ionen-induzierte Desorption kein reiner Oberflächeneffekt ist, sondern dass auch tieferliegende Schichten eine bedeutende Rolle spielen. Um Beschleunigerkomponenten mit minimaler Desorption herzustellen, müssen sowohl die Oberflächen- als auch die Bulkeigenschaften optimiert werden.