Author: Giulia Lanza ; Type of thesis: Magistralis Degree Thesis
Abstract: E’ ormai assodato per la comunità scientifica che l’utilizzo di cavità acceleratici superconduttive negli acceleratori di particelle comporta notevoli vantaggi sia in termini di prestazioni che economici. La tecnologia superconduttiva permette di raggiungere campi acceleranti elevati con un dispendio di energia di molti ordini di grandezza inferiore a quello delle cavità di rame. Anche considerando gli apparati di raffreddamento, necessari al raggiungimento della temperatura dell’elio liquido, rimane un guadagno netto di un fattore cento. Sempre nell’ambito superconduttivo le esperienze dell’acceleratore LEP-II presso il CERN e di ALPI presso i Laboratori Nazionali di Legnaro (INFN) hanno dimostrato che la messa in opera di cavità di niobio su rame è possibile e ulteriormente vantaggioso. Ai benefici della superconduttività, questo tipo di cavità somma i bassi costi del materiale, una migliore stabilità termica dovuta all’alta conducibilità del rame e, a bassi campi acceleranti, un miglioramento del fattore di qualità. Sfortunatamente questo tipo di cavità possiede un grande limite, cioè la diminuzione dell’efficienza, dovuta ad un incremento della perdita ohmica, all’aumentare del campo accelerante. Questo comportamento è costato al CERN, durante il funzionamento del LEP-II, un miliardo e mezzo di franchi svizzeri per ogni MV/m di campo accelerante.
Il lavoro di questa tesi si propone di studiare il problema delle cavità di niobio su rame, partendo dalla caratterizzazione dettagliata dei film depositati per magnetron sputtering lungo una cavità 1,5GHz per finire studiando l’influenza che l’angolo di deposizione e la porosità hanno sulla degradazione delle proprietà superconduttive. Lo studio è stato condotto in maniera sistematica, effettuando numerose deposizioni su substrati di quarzo e rame, utilizzando i parametri di processo e la procedura standard (CERN-INFN) per il ricoprimento di cavità 1,5GHz. Sono state utilizzate due diverse configurazioni di magnetron e tutti i film ottenuti sono stati analizzati dal punto di vista delle proprietà superconduttive (temperatura critica, resistività e resistenza,), strutturali (diffrazione di raggi X) e morfologiche (microscopio a forza atomica). Lo studio ha comportato la deposizione di un numero elevato di campioni (13 serie per un totale di circa 140 substrati) e la messa a punto delle tecniche di analisi per soddisfare le nostre esigenze.I risultati ottenuti hanno permesso di valutare la validità delle configurazioni di deposizione utilizzate ed evidenziare le problematiche legate a ciascuna tecnica. Le configurazioni di sputtering finora adottate per cavità acceleratici di forma complessa come le cavità 1,5 GHz, sebbene abbiano portato buoni risultati, non consentono di realizzare un film dalle proprietà uniformi lungo tutta la superficie. La correlazione tra le proprietà superconduttive dei film depositati, la morfologia degli stessi e la configurazione di sputtering ha fornito indicazioni sulla strada da intraprendere per sviluppare nuovi set up sperimentali dalle migliori prestazioni. Infine un breve accenno alle prospettive future: affinché un materiale superconduttore sia utile per gli acceleratori è necessario che abbia un’alta temperatura critica Tc ed un alto campo magnetico critico Hc in radiofrequenza. Tra i materiali elementari la scelta cade sul niobio, ma esplorando la vasta gamma di composti superconduttori esistono candidati come il Nb3Sn, il MoRe o il V3Si le cui applicazione sono in fase di studio. E’ opinione diffusa che la soluzione dei problemi delle cavità di niobio/rame legati alla tecnologia di deposizione faciliterà l’introduzione di questi nuovi composti migliorando di gran lunga le prestazioni delle cavità superconduttive.
La tesi è stata svolta presso i Laboratori Nazionali di Legnaro (INFN).