Author: Eduard Chyhyrynets

Author: Cristian Pira; Type of thesis: PhD Thesis
Abstract: A key challenge for the next accelerators is the cost reduction. Bulk niobium cavities performances are closer to their theoretical limits and an alternative technology is mandatory. Niobium thin film copper cavities are the most explored solution, but the Q-slope characteristic of these resonators limits the applications where high accelerating fields are requested. In this work an original approach is adopted in order to enhance the performances of sputtered cavities, exploring the possibility to sputter 70 micron thick films to straighten up the Q-slope in Niobium sputtered copper cavities. The engineering of Nb thick films deposition on 6 GHz copper cavities, necessary to minimize the stress on niobium thick films and avoid film peeling from the substrate, is reported. Thick films show RRR values over 60. Different strategies have been used for stress reduction: deposition at high temperature of 550 °C, deposition at the zero stress pressure point (5∙10-2 mbar), and the development of a multilayer deposition procedure. Rf tests at 4,2 K and 1,8 K on 6 GHz resonant cavities are the tool used to evaluate the influence of the critical deposition parameters on the cavity performances. Two different venting procedures have been tested: a standard one, and a high temperature one, in which pure nitrogen is inserted in the vacuum chamber immediately after the end of the sputtering process. Thick films open the possibility to post treatments on sputtered cavities: the effect of buffer chemical polishing and heat treatments at different temperature have been investigated. The Rf tests on 6 GHz cavities show the fundamental role played by the surface preparation and the possibility to enhance the maximum accelerating field minimizing the film stress. Above all, for the first time, the possibility to obtain flat curve of Q-factor versus accelerating field in sputtered cavities with thick films it is demonstrated.

Author: Hanna Skliarova; Type of thesis: PhD Thesis
Abstract: Il 99mTc è un radionuclide estremamente importante, utilizzato in più dell’80% degli esami diagnostici. Generalmente, il 99mTc viene estratto da generatori portatili contenenti il 99Mo (quest’ultimo proveniente dai reattori a fissione che utilizzano 235U altamente arricchito). Il 95% di tutta la produzione mondiale del radionuclide 99Mo è attualmente supportato da cinque impianti nucleari, alcuni dei quali hanno raggiunto più di 50 anni di attività. E sono pertanto esposti a frequenti e improvvise interruzioni che causano periodici cali nella produzione del 99Mo. Presso i Laboratori Nazionali di Legnaro dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (LNL-INFN) si è scelta la strategia basata su acceleratore, come alternativa alla via standard per avere una soluzione di riserva in caso di una nuova crisi del 99mTc. Tra le varie possibilità studiate, la migliore, e più promettente, è la produzione diretta del 99mTc attraverso l’irraggiamento, con fascio di protoni, di target di 100Mo arricchito. Un’ulteriore alternativa è la produzione nel nuclide precursore 99Mo nella stessa cornice di irraggiamento. Riguardo la produzione indiretta del 99Mo, il principale svantaggio è l’attività specifica piuttosto bassa se paragonata alla fissione nucleare nei reattori. Pertanto, la produzione del 99mTc a partire dalla reazione 100Mo(p,2n)99mTc, è stata sviluppata e valutata presso LNL-INFN; tuttavia alcune questioni devono ancora essere risolte. Il problema chiave in esame è il design e la costruzione di un target idoneo per la produzione del radionuclide e il recupero del costoso isotopo 100Mo dopo la produzione del radiofarmaco a base di 99mTc. Infatti, solo una tecnologia consolidata e a circuito chiuso può rendere competitiva la via basata sull’acceleratore con la produzione standard basata sul reattore nucleare. Per massimizzare la resa della reazione nucleare, la produzione dovrebbe essere effettuata alle massime correnti protoniche. Questo significa che il target dovrebbe fornire un’elevata efficienza di dissipazione del calore. Un sistema di target solido standard si suppone essere costituito dal materiale target depositato su un backing plate, raffreddato con liquidi. Per massimizzare la dissipazione del calore, il target dovrebbe essere costruito con un materiale avente la massima conducibilità termica, e dovrebbe essere usato un metodo che fornisca un buon contatto termo-meccanico tra il materiale target in sé e il backing plate. Al fine di consentire la massima velocità di produzione di 99mTc attraverso il ciclotrone, la tecnica di deposizione metallica deve garantire: • buona conducibilità termica del Mo; • spessore uniforme e controllato dello strato di Mo; • elevata densità del Mo (bulk-like); • basso livello di ossidazione del Mo; • buon contatto termo-meccanico con il backing plate. Le più comuni tecniche di deposizione per produrre il target di Mo, che includono la sinterizzazione, l’elettrodeposizione, laser melting, laminazione, ecc., non sono in grado di soddisfare i suddetti requisiti. Il gruppo dell’LNL-INFN ha proposto di usare il magnetron sputtering come tecnica base per depositare il 100Mo direttamente su un backing plate. Una delle principali sfide tecnologiche di questa tesi è stata quella di sviluppare un metodo per depositare film ultra spessi (centinaia di micrometri) di metalli refrattari (Nb e Mo) con la tecnica magnetron sputtering. I film depositati con il metodo proposto sono risultati densi (>98% della densità bulk) e aderenti al backing plate ad alta conducibilità termica. Il comportamento termico del sistema (100 µm di spessore di Mo depositato su un backing di rame) è stato testato sotto fascio a 15.6 MeV e 60 µA. Il film di Mo spesso 100 µm depositato con la tecnica magnetron sputtering sul backing di rame ha mostrato un’eccellente stabilità termomeccanica (nessuna delaminazione o rottura) sotto un fascio di protoni di circa 1 kW/cm2 di densità di potenza. Il rame è lontano dall’essere un materiale ideale per il backing plate, poiché si dissolve nella soluzione reattiva di H2O2 nella quale il materiale target è normalmente disciolto dopo l’irraggiamento e prima della separazione chimica, utilizzando un modulo 100Mo/99mTc. Questi svantaggi costringono ad usare moduli di separazione aggiuntivi per ottenere il prodotto finale puro, ma questi sono incompatibili con la necessità di abbreviare e automatizzare le procedure. Il concetto proposto in questa tesi include un sottile strato di materiale ceramico chimicamente inerte, per evitare impurità di radioisotopi. A questo scopo, sono stati proposti i materiali ceramici ad alta conducibilità termica, come parte del target plate. Per minimizzare l’energia persa sulla parte ceramica, è stato minimizzato il suo spessore. Inoltre, per mantenere una rigidità meccanica del sistema, e minimizzare i costi del target, i substrati ceramici sono stati brasati in vuoto a un backing plate di rame. Per realizzare questo prototipo, è stata studiata la brasatura in vuoto dei materiali ceramici con i metalli con diversi filler brasanti. Sono stati usati filler a base di rame in forma pastosa “home-made” per la preparazione del prototipo di target. Al fine di migliorare il contatto brasato, la parte ceramica è stata metallizzata con un sottile strato di Ti depositato con la tecnica magnetron sputtering. I prototipi di target sviluppati sono stati preparati depositando, mediante magnetron sputtering, 100µm di Mo su dischi ceramici che sono stati brasati al supporto metallico ad alta conducibilità termica (rame). I prototipi di target prodotti hanno mostrato buona stabilità termomeccanica sotto la massima potenza di fascio di protoni del ciclotrone GE PETtrace (60 µA, 15.6 MeV, densità di potenza di circa 1 kW/cm2). Sono stati realizzati test brevi (1 minuto) e test lunghi, più vicini alle condizioni di irraggiamento per la produzione. Per diminuire i costi per la produzione di 99mTc con il metodo basato su ciclotrone, è stato sviluppato un sistema per recuperare in forma metallica, il costoso 100Mo dagli scarti del modulo di separazione. In questo modo, il metodo proposto permette il recupero del MoO3 con un’efficienza del 94% partendo dallo scarto, arricchito di Mo, del modulo. La seguente riduzione dell’ossido di molibdeno, in un sistema chiuso in sovrappressione di idrogeno (senza flusso di idrogeno), fornisce più del 95% di Mo metallico. Lo stesso metodo di recupero può essere applicato per minimizzare le perdite del costoso 100Mo durante la deposizione via magnetron sputtering.

Author: Giorgio Keppel; Type of thesis: PhD Thesis
Abstract: Superconducting radiofrequency resonators have become standard components inside particle accelerators. This paper proposes the research and development of copper cavities internally coated with a niobium thin film, as an alternative to the niobium bulk cavities. This R&D work is part of the ISIDE experiment, of the National Institute of Nuclear Physics, and has been carried out at the Legnaro laboratories. Specifically, at the Material Science and Technologies for Nuclear Physics Service of INFN, it has been built a new system for coating, via magnetron sputtering, a thin film of superconducting niobium inside the TESLA-type 9-cell copper resonators. The work was divided into two main areas. A first phase consisted on the design of a sputtering configuration for coating superconductive cavities based on the construction of a vacuum system using a 3D CAD software and FEM simulations in order to verify the final structure of the vacuum system. Parallel to this a phase for the construction of the induction heating apparatus was followed. Afterward, the assembly of the vacuum system was performed, with connected vacuum tests, and followed by the commissioning of the induction and pumping systems. A second phase, however, focused on the study of coating configurations, particularly on the benefits and/or problems that each configuration can lead. This study ended with the design of four different coating configurations; which will be short-tested in order to check the most suitable for coating the 9-cell copper cavity with good uniformity and excellent superconducting properties. The most promising configuration is definitely the last taken into account, which involves the use of the inductor to heat the cavity during the process and the use of an innovative cylindrical magnetron with a rotating magnet pack inside that confine the plasma on the target surface. The target consists on a Niobium tube, and the study of the magnetic configuration and at the same time rotation of magnet pack permit to have a constant deposition rate along the whole cavity (high cathode erosion rate in the cavity cell regions and low cathode erosion rate along cavity cut-off). Even if the work is still evolving and the deposition tests are just starting, what as been performed is definitely innovative and original; up to now, in literature, there are no reports of coating performed by coupling the induction heating with the magnetron sputtering. The development of a plant that allows coupling these two technologies is the main aim of this work.