高能环形对撞机真空部件材料的二次电子发射特性研究

The secondary electron emission process in the vacuum environment of high energy ring accelerators is one of the important factors to produce beam instability, and the severe electron multipacting even lead to the damage of the vacuum components. Especially for next generation high energy circular collider, most part of the vacuum chamber will be in the low temperature superconducting environment. The secondary electron emission and aggregation into electron cloud in the positive charge beam pipe is the source of the electron cloud instability, and the power deposition from electron multipacting can even cause collapse of superconducting system. Depressing and eliminating the secondary electron emission in the vacuum pipe of collider is one of the necessary research subjects during accelerator design and construction. Based on the normal operation of Beijing Electron Positron Collider, the secondary electron emission characteristics, including secondary electron yield, spatial distribution and energy spectrum, will be analyzed and simulated. The experiments platform for secondary electron emission characteristics will be set up in BEPCII and carry out measurements for different materials in real beam operation environment. This research results will be meaningful to the design of high energy circular collider (CEPC-SPPC) on the choice of vacuum component material, coating and surface treatment.

高能环形加速器真空环境中的二次电子发射过程是引起束流不稳定性的重要因素之一，严重的二次电子倍增效应甚至会导致真空部件损坏。特别是在下一代高能环形对撞机中，大部分真空管道将处于低温超导环境中，正电荷束流管道中的二次电子发射和聚集形成电子云成为电子云不稳定性产生的根源，超剂量的二次电子倍增功率沉积甚至会引起超导系统的失超保护。降低和消除对撞机束流真空管道中的二次电子发射是任何一台加速器设计中必须研究的课题之一。本项目研究立足北京正负电子对撞机，针对不同真空材料的二次电子发射特性参数（二次电子产额，空间分布、能谱分布）进行理论分析，搭建在线和离线二次电子发射特性参数测量平台进行实验测量，探索抑制二次电子发射的最佳真空部件材料、涂层或其表面处理工艺，为环形对撞机（CEPC-SPPC）的设计提供参考。

二次电子发射是所有材料所具备的基本特性之一。高能环形加速器领域，高能粒子束流运行轨道在电磁场的作用下被限定在真空管道中心区域，但不可避免的粒子损失或同步辐射光子在真空管壁上的轰击会造成管道材料的电子发射，该发射电子在电磁场作用下获得能量后与束流管壁多次碰撞而产生电子倍增效应从而严重影响束流稳定运行。此外，加速器中使用的多种高功率部件（高频腔、束流探测器等）由于电子倍增会发生放电击穿现象，从而造成部件损坏，特别是处于超导低温环境的真空部件，二次电子倍增会引起电子功率在部件内部的沉积，当沉积功率超出负荷后导致部件失超的重大机器故障。本课题的研究内容包括：对加速器中通常使用的真空部件材料（铜、铝、陶瓷等）进行二次电子发射参数的测量；对现有常温二次电子测量平台实施低温改造，使其能够满足新型超导低温材料（铌、铌锡合金）样品在超导低温环境下的测量要求，探索低温环境对材料二次电子发射特性的影响。通过本课题研究，实验明确了加速器部件表面通过钛锆钒涂层可有效降低二次电子产额；低温环境对二次电子发射的主要影响在于引起环境中的分子聚集于材料表面形成污染，从而致使发射系数的增加。因此，本课题提出在常温和低温环境中均需要通过氩粒子束轰击清洗方式以消除表面污染，以保证较低的二次电子发射产额。本课题研究还探索了一种新型二次电子空间分布球形探测器的设计方案及其测量数据的分析、处理方法，为二次电子的空间分布实验测量提供了借鉴。本课题研究中采用了制冷机实现小尺寸样品台冷却设计方案，在小型低温测量装置上实现了突破，已经获得国家实用新型专利一件。本课题的实验测量平台和实验结果也具有一定的应用价值，特别是在航天、航空领域中使用的电子元件材料，由于其使用环境的极端性，可以通过本课题的测量平台对其元件材料的二次电子发射参数予以测量，以保证电子元件的设计和质量满足实际需要。