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Le 10 décembre 2020

Soutenance de thèse de Lucie BAUDIN

Structuration de surface par laser dans l'environnement des accélérateurs de particules: relation entre topographie superficielle, adhésion des particules et compatibilité aux applications ultravide

Résumé de la thèse en français

Dans le Large Hadron Collider (LHC), le faisceau de particules, accélérées à haute énergie, circule dans un tube inséré dans un aimant supraconducteur, réfrigéré à 1.9 K, dans un vide poussé, afin d'éviter les collisions avec des molécules de gaz. Un des facteurs limitant l'intensité des faisceaux est la production en cascade d'électrons qui augmente la charge thermique pour le système cryogénique. La structuration de surface par laser offre une voie prometteuse pour réduire le taux d'électrons secondaires (ou, SEY) de la paroi du tube et atténuer les effets du nuage d'électrons. Le balayage de la surface par le faisceau laser pulsé creuse des sillons en ablatant le cuivre, dont une partie est redéposée sur la surface en particules majoritairement sphériques, de l'ordre de quelques micromètres de diamètre. Cette rugosité à deux échelles permet l'absorption efficace des électrons. Néanmoins, l'augmentation de la rugosité de la surface détériore d'autres fonctionnalités de la surface, en particulier l'impédance de la surface. Le choix de la topographie optimale, réduisant le SEY tout en limitant les impacts négatifs sur le reste du système, est donc un équilibre qui repose sur la connaissance détaillée des propriétés morphologiques et physico-chimiques de la surface en fonction des paramètres de l'irradiation laser. Une analyse quantitative et qualitative des caractéristiques à l'échelle des sillons et des particules a donc été menée. L'étude microstructurale par Microscopie Electronique en Transmission a mis en évidence les transformations morphologiques et chimiques lors du traitement. En particulier, une fine couche d'oxyde a été observée malgré l'atmosphère d'azote protectrice utilisée pendant le traitement. La masse de matériau évaporé durant le traitement, évaluée par analyse microscopique, augmente proportionnellement à la densité d'énergie déposée par l'irradiation laser. Une partie de cette matière est re-condensée sur la surface sous forme de particules, le reste est de poussière volatile. La distribution en taille des particules présentes sur la surface traitée par laser a été évaluée par nano-tomographie effectuée par MEB-FIB. Lors du fonctionnement du LHC, la paroi du système à vide est soumise à des forces électromagnétiques et à des variations entre température ambiante et 4 K. Afin de qualifier l'adhérence des particules, sous ces conditions, en laboratoire, deux méthodes d'extraction de particules ont été mises en place, reposant sur l'application d'accélérations générant des forces d'inertie. Les accélérations atteintes à la surface des échantillons placés dans des centrifugeuses la soumettent à des forces statiques volumiques importantes. Le LAser Shock Adhesion Test (LASAT), habituellement dédié aux essais d'adhérence de revêtements par délamination, a aussi été appliqué pour l'extraction de particules présentes à la surface. Cette application détournée a nécessité une vaste campagne de calibration à partir de mesures de vitesse réalisées grâce au dispositif d'interférométrie VISAR. Les caractéristiques des accélérations appliquées sur les particules ont ainsi été déterminées en fonction des configurations expérimentales du LASAT et de la température de l'échantillon portée à 70 K. Pour les deux méthodes, la collecte et l'analyse des particules détachées ont permis la quantification de la masse et de la morphologie du matériau éjecté en fonction des sollicitations mécaniques et de la température de la surface. Il a été montré que le SEY de la surface ne serait pas affecté par le détachement de particules à la suite aux sollicitations mécaniques des forces électromagnétiques dans l'accélérateur. Néanmoins, la quantité de cuivre ainsi décollée, et plus encore, l'importante production de poussière lors du traitement robotisé, en milieu confiné, sont des questions qui demeurent ouvertes et devraient motiver le choix de paramètres de traitement alternatifs, ou bien d'une stratégie de nettoyage.

Résumé de la thèse en anglais

In the Large Hadron Collider (LHC), beam of particle bunches possibly of protons are accelerated to collide in 4 defined experimental areas equipped with detectors. To avoid collisions with the gas molecules, particle beams circulate in an ultra-high vacuum chamber, partly cooled to 1.9 K. Electron multipacting and electron cloud formation have been identified as being the major limiting factors for the cryogenic system in high-intensity positive particles accelerators. Laser-assisted surface structuration is a promising method to treat the copper surface of the vacuum chamber, in-situ, inside installed magnets. Pulsed laser irradiation of copper in a parallel pattern creates grooves by material ablation. A part of the ablated material is redeposed as particle aggregates. The two-scale roughness decreases the Secondary Electron Yield (SEY) of surfaces by geometrical effects. Nevertheless, the rugosity increase has a detrimental effect on other surface functionalities, in particular impedance. During LHC operation, the surface is submitted to electro-mechanical force and cooling cycles from room temperature to 4 K. The salient features of the surface morphology as a function of the parameters used for the treatment had to be identified. The objective was, then, to select a surface topography fitting the SEY requirement and mitigating the drawback effects on the system, based on specifically developed assessment methodologies. Multi-scale surface morphology transformations occurring during the pulsed laser treatment have been described based on a literature review of laser-matter interaction and on microscopic observations carried out on treated samples. Transmission Electron Microscopy microstructural analyses highlighted the presence of oxide layer formed at the surface of laser-processed material despite the nitrogen protective atmosphere used during the treatment. The ablated material mass, estimated from microscopic analysis, increases linearly with irradiating energy density. This matter is partly re-condensed creating the particle overlay, the rest is unattached dust. Electron tomography by FIB-SEM was applied for qualitative characterization of particles at the nano-scale. Mechanical characterizations focused on applying non-contact, forces on particles to assess their adhesion. Two extraction techniques, relying on inertia forces, were developed, aiming to explore on a large range of amplitude and duration. In centrifuges, the acceleration reached on the sample surface was 275 000 g leading to a reproducible static force field pulling the particles out of the surface. The LAser Shock Adhesion Test (LASAT), developed to assess the adhesion of coatings by spallation, was utilized to accelerate the surface of treated samples. Pressure shock waves generated by nanosecond laser irradiations produce sharp velocity variations of the surface. Deceleration, and therefore applied inertia force was evaluated from the dynamics of the sample macroscopic surface. The diverted use of LASAT required a calibration study based on velocity measurement by an interferometer VISAR to determine the surface dynamics as a function of the LASAT experimental configurations. The influence of the cryogenic temperatures was evaluated both using samples which underwent thermal cooling/warming cycles and cooling to 70 K of the samples during the laser shocks. Recuperation and analysis of detached particles allowed the quantification of ejected material as a function of mechanical stresses. The mass of particles which could be detached during the accelerator operation has been extrapolated from these results. It was shown that SEY would not be detrimentally increased by particles detachment due electromagnetic forces. Nevertheless, the detached material and even more, the massive dust produced during the treatment raise issues that should motivate the choice of alternative treatment parameters and an implementable cleaning strategy.

Titre anglais : Laser treated surfaces in particle accelerators: relation between superficial topography, particle adhesion and compatibility for ultra high vacuum applications
Date de soutenance : jeudi 10 décembre 2020 à 14h00
Adresse de soutenance : En visioconférence intégrale - -
Directeurs de thèse : Alain THOREL, Michel JEANDIN

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