ПРИМЕНЕНИЕ НГП-НАСОСОВ
ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДОЛГОСРОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОКАТОДОВ С ВЫСОКОЙ КВАНТОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ

 

 

Даниэль Серторе, Паоло Мичелато, Лаура Монако (Национальный институт ядерной физики / LASA, Сеграте (Милан))

Паоло Манини, Фабрицио Сивьеро (компания «SAES Getters S.p.A», Лайнате (Милан))

АННОТАЦИЯ

Фотокатоды с лазерным запуском – ключевые компоненты источников электронов в световых установках четвертого поколения. Однако они очень чувствительны к уровню вакуума и его составу. Фотокатоды обычно подготавливаются в сверхвысоковакуумных камерах и затем переносятся в места эксплуатации с сохранением условий глубокого вакуума. Так как транспортировка и хранение могут занимать от нескольких дней до недель, сохранение условий сверхвысокого вакуума является фундаментальной задачей в использовании фотокатодов. В этой статье приводятся результаты, полученные с использованием нового подхода к откачке. Этот подход основан на соединении ионно-сорбционного насоса производительностью 20 л/с и насоса с нераспыляемым газопоглотителем (НГП-насоса) CapaciTorr® D100. С использованием НГП-насоса после двухдневного прогрева было достигнуто давление 2∙10-11 миллибар, по сравнению с давлением 8∙10-10 миллибар, достигнутым с использованием только ионного насоса после прогрева в течение 7 дней. Такие величины давления сохранялись даже в отсутствии питания благодаря способности НГП удалять газы посредством химической реакции. Было также проведено долгосрочное наблюдение квантовой эффективности катодов при различных длинах волн фотонов в течение более чем 6 месяцев, не выявившее деградации свойств фотоэмисионной пленки.

ВВЕДЕНИЕ

Фотокатоды с высокой квантовой эффективностью (КЭ) в настоящее время широко используются в качестве эмиттеров с лазерным запуском в современных источниках электронов высокой яркости.

Несмотря на разнообразие доступных материалов, полупроводниковые фотокатоды являются предпочтительными в случаях, когда требуется высокий заряд на сгусток, и/или длинную серию импульсов, и/или высокий коэффициент заполнения. Эти эмиттеры удовлетворяют основным требованиям, связанным с их применением в радиочастотных пушках: высокая КЭ, хорошая пространственная однородность КЭ, длительный эксплуатационный срок службы, стабильная работа на протяжении серии сгустков. Основной недостаток – высокая чувствительность эмиттеров к газовому загрязнению, а значит – необходимость условий сверхвысокого вакуума (СВВ) на всех стадиях от их осаждения до применения в пушке. Условия СВВ необходимо также поддерживать во время транспортировки, что представляет собой в нашем случае одну из критически важных операций, так как осаждение катодов производится в Милане, после чего они перевозятся в места размещения ускорителей (DESY-HH, DESY PITZ).

В этой статье мы представляем результаты, продемонстрированные новой насосной системой для транспортного контейнера, способной обеспечить условия СВВ в течение длительного времени даже в отсутствие питания.

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ КАТОДА

В Национальном институте ядерной физики в Милане нами подготовлены фотокатоды из CS2Te с использованием стандартизированной и воспроизводимой процедуры [1]. Катоды осаждаются на подложку из молибдена и механически полируются до зеркального состояния в СВВ-камере. Этот процесс осаждения гарантирует получение катода с окончательной квантовой эффективностью обычно свыше 10% и пространственной однородностью лучше 90%. После изготовления фотокатоды хранятся в СВВ-контейнере, что позволяет доставлять их в лабораторию, заказавшую эти катоды.

В настоящее время для откачки системы транспортировки используется ионно-сорбционный насос производительностью 60 л/с-1, для которого необходимо постоянное наличие питания, чтобы поддерживать в системе состояние СВВ и не допускать ухудшения качества пленки в результате действия газов, в частности, CO и CO2 [2]. По этой причине мы разработали переносной источник питания, чтобы поддерживать ионно-сорбционный насос в рабочем состоянии, в том числе и во время транспортировки из одной лаборатории в другую. В ходе более чем сотни операций транспортировки, выполненных в течение более чем десяти лет [3], у нас произошло лишь несколько случаев отключения питания, приведших к ухудшению характеристик катодов [4].

НОВАЯ КОНФИГУРАЦИЯ НАСОСОВ

Недавно мы начали совместную работу с Национальной лабораторией имени Лоуренса в Беркли по поставке катодов для эксперимента APEX. Для этого исследования катоды будут доставляться на самолете, и в с связи с ограничениями, существующими при перевозке воздушным транспортом, от нас требуется разработать вакуумную систему, для которой не требуется какое-либо электропитание и которая должна иметь, насколько возможно, меньшую массу и объем, чтобы снизить транспортные расходы.

К числу насосов, удовлетворяющих нашим требованиям, относятся титановые сублимационные насосы (ТСН) и насосы с нераспыляемым газопоглотителем (НГП-насосы). ТСН обычно требуют значительных площадей поверхности сублимации, чтобы достичь высокой скорости перекачки, в то время как НГП-насосы обеспечивают высокую скорость перекачки и более значительную пропускную способности при компактных размерах. По этой причине мы выбрали НГП-насос CapaciTorr® D100 производства компании «SAES» [5] за его компактность и высокую скорость перекачки (характеристики перекачки по H2 и CO см. на рисунке 1).

 

Рисунок 1. Скорость перекачки насоса CapaciTorr® D100 для CO и водорода

 

Газопоглотитель (геттер) представляет собой вещество, которое удаляет молекулы из газовой фазы посредством химической реакции на ее активной поверхности. НГП производятся путем сплавления химически реактивных металлов в вакууме. В отличие от ТСН, для НГП-насосов требуется не испарение, а процесс термической активации. После активации НГП удаляет оксиды углерода, О2, N2 и воду при комнатной температуре посредством поверхностной адсорбции, в то время как H2 образует твердый раствор в объеме. В диапазоне сверхвысокого - экстрасверхвысокого вакуума высокая скорость перекачки может поддерживаться годами без потребления мощности благодаря высокой пропускной способности при очень компактных размерах. Кроме того, такой насос не создает вибрации и не создает неблагоприятных взаимодействий с электрическими и/или магнитными полями.

Новая схема насосной системы

Для размещения НГП-насоса мы перепроектировали схему насосных компонентов в транспортном контейнере. Кроме того, мы установили ионно-сорбционный насос производительностью 20 л/с, чтобы удалять газы (например, метан), которые присутствуют в системе, но не откачиваются НГП-насосом. Окончательная схема показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема транспортного контейнера с установленными НГП-насосом (снизу) и ионно-сорбционным насосом производительностью 20 л/с-1 (сверху)

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Нами были выполнены различные испытания новой насосной системы с целью сравнения результатов с уровнем вакуума (в низкий диапазон 10-10 миллибар), достигаемым в имеющейся системе транспортировки, где перекачка производится ионно-сорбционным насосом производительностью 60 л/с-1.

Испытание с ионно-сорбционным насосом производительностью 20 л/с-1

Чтобы установить базовое состояние, мы должны сначала смонтировать в системе только ионно-сорбционный насос производительностью 20 л/с, а затем выполнить прогрев системы, чтобы проверить предельное давление, достижимое в этой конфигурации.

Прогрев состоит в нагреве системы до 200°C, после чего повышается только температура ионного насоса до 250°C. Когда скорость снижения давления оказывается ниже 510-8 миллибар/день, и ионный насос охлаждается до 200°C, он включается, после чего продолжается охлаждение, доводящее всю систему до комнатной температуры. Турбонасосная система (турбомолекулярный насос), используемая во время процесса прогрева, закрывается, как только ионный насос становится способным в одиночку поддерживать систему в состоянии СВВ. Процесс прогрева длится около 6 дней. Типичный процесс прогрева показан на рисунке 3. Окончательный уровень вакуума, достижимый с использованием только ионного насоса, находится в высоком диапазоне порядка 10-10 миллибар.

Рисунок 3. Процесс прогрева вакуумной системы при установке только ионно-сорбционного насоса
производительностью 20 л/с-1. На рисунках показаны температуры и давления

Испытание с ионным насосом и D-100

После первого испытания мы выполнили продувку системы азотом и установили НГП-насос D-100 в дополнение к ионно-сорбционному насосу. После этого мы выполнили стандартный прогрев, а затем – активацию НПГ, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Прогрев системы при установке ионно-сорбционного насоса производительностью 20 л/с и НГП-насоса D-100.
Активация НГП-насоса соответствует значительному росту давления при 120°C.
Окончательное давление находится в низком диапазоне порядка 10-11 миллибар.

Уровень вакуума в низком диапазоне 10-11 миллибар был достигнут при длительности прогрева всего 4 дня. Разное поведение вакуума предварительного разрежения (быстрое падение в начале прогрева) объясняется вкладом НГП-насоса, даже если он еще не активирован. НГП-насос активируется на стадии охлаждения, когда система достигает температуры 120°C. Активация длится один час и выполняется под управлением специализированного устройства от компании «SAES». В ходе этой операции ионный насос выключается, а турбомолекулярный насос обеспечивает необходимую скорость перекачки для удаления газов (в основном – водорода), образующихся при активации НГП.

Процесс быстрого прогрева

Чтобы еще больше сократить время прогрева, мы выполнили испытание, в котором активированный НГП-насос используется также во время процесса прогрева. В этой конфигурации мы выполняем две активации НГП: первое – когда вся система достигает 200°C, и второе – на стадии охлаждения, при 120°C. Первая активация готовит насос D-100 к работе по содействию перекачке во время процесса прогрева, а вторая обеспечивает регенерацию поверхности НГП перед ее окончательным использованием для долгосрочной перекачки. На основе этой процедуры мы сократили время прогрева всего до двух дней, достигнув уровня вакуума, сравнимого с полученным во втором испытании.

Долгосрочная стабильность

Как указано во введении, один из ключевых пунктов в использовании НГП-насоса – необходимость сохранять характеристики катода, в том числе, и в случае отключения питания. По этой причине мы выполнили длительный испытательный сеанс работы, оставив работающим НГП-насос при выключенном ионном насосе. Как видно на рисунке 5, уровень вакуума оставался в низком диапазоне 10-11 миллибар в течение более чем месяца.

Рисунок 5. Долгосрочное испытание насоса D-100 при выключенном ионно-сорбционном насосе.
Стабильный уровень вакуума в диапазоне 10-11 миллибар был достигнут более чем на месяц

КВАНТОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФОТОКАТОДА

Заключительное испытание характеристик новой насосной системы касалось поведения квантовой эффективности фотокатода. Стабильное значение квантовой эффективности является признаком того, что система работает ожидаемым образом, и никакое газовое загрязнение на катоды не действует.

Диаграммы квантовой эффективности, приведенные на рисунке 6, показывают пространственное распределение квантовой эффективности после более чем пяти месяцев хранения катода в системе транспортировки, при длительных периодах перекачки с использованием D-100 только согласно рисунку 5. Не заметно никаких существенных изменений в распределении, а также ухудшения квантовой эффективности, что указывает на отсутствие загрязнения остаточными газами, присутствующими в системе хранения.

Рисунок 6. Диаграммы квантовой эффективности для 254 нм: после осаждения (справа) и через 5 месяцев (слева).

На рисунке 7 показаны характеристики спектральной чувствительности (квантовая эффективность при различных энергиях фотона) одного и того же катода для одного и того же времени (осаждение катода – 18 ноября 2010 г.). Форма этих кривых связана с энергетической зоной материалов катода. В этом случае мы также наблюдали отсутствие вариации спектральной чувствительности при высоких энергиях фотона. Можно заметить небольшую вариацию реакции при низких энергиях фотона, даже если это различие находится глубоко в пределах допустимой вариации. В предыдущем эксперименте [6] выставление под воздействие 26 монослоев O2 привело к изменению в характеристике спектральной чувствительности при низкой энергии на два порядка, в то время как в нашем случае изменение кривой едва заметно.

Рисунок 7. Зависимость квантовой эффективности при различных энергиях фотона от времени, начиная с осаждения катода. Небольшое изменение кривой заметно только при низких энергиях фотона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Испытана новая схема системы транспортировки фотокатодов. Взамен тяжелого ионно-сорбционного насоса используются небольшой ионно-сорбционный насос и НГП-насос, что позволяет гарантировать скорость перекачки, в том числе в случаях отказов питания. Достигнутый уровень вакуума находится в низком диапазоне 10-11 миллибар (на один порядок лучше, чем в предыдущей конфигурации), и не наблюдалось заметных вариаций фотоэмиссионных свойств. Наличие компактного решения, например, насоса NEXTorr® компании «SAES» [7], объединяющего даже меньший ионный насос (5 л/с для N2) c НГП-насосом, может позволить сделать следующий шаг в направлении более компактных и надежных систем транспортировки фотокатодов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

[1] D. Sertore et al., “ Review of the Production Process of the TTF and PITZ RF Guns”, PAC 05, USA.

[2] A. di Bona et al., J. Appl. Phys. 80(5), 1996, p. 3024.

[3] http://wwwlasa.mi.infn.it/ttfcathodes

[4] P. Michelato et al., SFS Note-2007-001-PITZ.

[5] http://www.saesgetters.com

[6] L. Monaco et al., “C s2Te Photocathodes Robustness Studies”, EPAC 08, Italy.

[7] P. Manini et al. “A novel approach in UHV pumping of accelerators: the NEXTorr® pump”, IPAC 11, Spain.