Categoria: Magistralis Degree Thesis

Study of niobium sputtered copper accelerating cavities as possible alternative to the bulk technology-Magistralis Degree Thesis Martina Martinello

Author: Martina Martinello ; Type of thesis: Magistralis Degree Thesis
Abstract: Several studies regarding the radiofrequency (RF) superconducting proprieties of thin film Niobium on Copper cavities are presented. Two types of Niobium on Copper cavities are analyzed: Quarter Wave Resonators (QWRs) and elliptical 6GHz cavities, in both cases a superconducting Niobium film is deposited via sputtering on the Copper substrate.
The QWRs were characterized at CERN, in the framework of a Summer Student Program. Such cavities are nowadays under study at CERN for the project HIE-ISOLDE. The purpose of this project is the upgrading of ISOLDE facility by the implementation of superconducting accelerating cavities in its linear acceleration section. The RF characterization of QWRs is performed in order to evaluate if the resonator reaches the HIE-ISOLDE specification. In addition, for a more complete understanding of the cavity surface properties, the RRR was evaluated by analyzing the resonance frequency shift near the critical temperature.
The 6GHz Niobium on Copper cavities were instead studied at LNL, INFN. The research was carried out in order to obtain a Niobium thin film with good RF superconducting performances, working on the sputtering parameters. The goal was reached with a high temperature Niobium deposition in which the substrate was heated at 400C. This cavity has the highest Q-factor values found for the analyzed 6GHz cavities.
Furthermore, since the Q-slope is the main problem of the Niobium on Copper cavities, which limits the possibility of the implementation in very high gradient accelerators, a new model is proposed as a possible explanation of this issue. This model analyses the Q-slope as a thermal problem and highlights that the lowering of the performances is due to the Niobium/Copper interface. Because of this interface, a pronounced temperature rinsing occurs, which makes worse the superconducting properties.
Moreover, elevated values of temperature were found in the Helium bath near the external cavity surface, during the measurement of the Cu1_3 cavity. Hence, it may be not surrounded by super-fluid Helium but by a vapor Helium layer instead, and the heat exchange may take place, therefore, following the film boiling regime.

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prototipo di un mini inceneritore al plasma per la pirolisi dei rifiuti medicali-Magistralis Degree Thesis Akaberj Nazkhatoon

Author: Akaberj Nazkhatoon ; Type of thesis: Magistralis Degree Thesis
Abstract: In questo lavoro di tesi verrà presentato un primo prototipo di un mini inceneritore al plasma per la pirolisi dei rifiuti medicali basato sulla tecnologia delle torce al plasma a microonde (MW) con tecnologia domestica a basso costo. Si inizia con una breve e generale descrizione sulle problematiche dei rifiuti, della loro classificazione e delle norme che ne regolano lo smaltimento. Quindi si parlerà delle norme necessarie per l‟identificazione dei rifiuti medicali ed infine verrà riassunta la modalità di gestione dei rifiuti secondo la normativa in vigore. Successivamente saranno descritti alcuni metodi di termodistruzione dei rifiuti ospedalieri come la combustione negli inceneritori tradizionali, e alcuni metodi alternativi, come il trattamento al plasma atmosferico, andando ad analizzare vantaggi e svantaggi di ogni tecnologia. Lattenzione sarà quindi focalizzata sul plasma atmosferico e sulla descrizione delle sue proprietà. Quindi saranno descritti diversi tipi di plasma atmosferico in base alle condizioni operative di alimentazione e delle loro strutture concentrando le nostre attenzioni verso le torce al plasma atmosferico basate sulle microonde. Quindi si descriverà la realizzazione di una torcia al plasma atmosferico utilizzando i componenti a basso costo dei normali forni a microonde e con l‟obbiettivo di utilizzare questa torcia sia nel settore industriale che nella ricerca. Tale torcia, realizzata con componenti commerciali domestici a basso costo, costituirà il cuore del prototipo di mini inceneritore che è stato progettato, realizzato, descritto e testato in laboratorio. Verrà quindi illustrata l‟efficacia di trattamento di materiale rappresentativo di rifiuti medicali come: carta, cotone idrofilo e tessuti organici biologici. Infine verranno descritte le linee guida per gli sviluppi futuri del prototipo al fine di aumentarne l‟efficienza nel trattamento dei rifiuti, nel recupero dell‟energia derivante dalla combustione dei syn-gas e nella purificazione dei gas da agenti inquinanti. Continue reading →

Deposizione di film protettivi all’interno di camere tubolari per la produzione di radioisotopi via ciclotrone-Magistralis Degree Thesis Stefano Rappo

Author: Stefano Rappo ; Type of thesis: Magistralis Degree Thesis
Abstract: Il Carbonio 11 è un radionuclide utilizzato in Tomografia ad Emissione di Positroni (PET) , prodotto principalmente via ciclotrone, sottoforma di 11CO2 , mediante bombardamento di Azoto 14 in forma gassosa, con la reazione nucleare 14N (p.a.)11C. Con questo radioisotopo sono state marcate centinaia di molecole organiche naturali come zuccheri, amminoacidi, acidi grassi a catena lunga e farmaci.
Il fascio energetico, proveniente dal ciclotrone, ha un allargamento dovuto alle collisioni con il gas, per cui riscalda localmente la superficie e la camera è soggetta a periodica usura. La forma ed il diametro della camera di reazione sono, quindi, di fondamentale importanza, per questo è richiesta un’appropriata selezione di materiali e la deposizione di ricoprimenti protettivi di Niobio e Nitruro di Niobio, nelle pareti interne della camera di reazione, sembra essere la soluzione ottimale per limitare il problema.
L’applicazione richiede ricoprimenti di elevata purezza ed ottima adesione, per evitare contaminazioni, delaminazioni ed usure anzitempo, inoltre l’interno deve essere un ambiente “carbon free”, in quanto le impurezze di Carbonio potrebbero portare alla formazione di isotopi inferiori. Per questo motivo sono state scartate tecniche di deposizione di tipo chimico o elettrochimico ed è stato attuato un approccio di tipo PVD, depositando i ricoprimenti via Magnetron Sputtering.
Sono state sondate due diverse possibili configurazioni di sputtering, a Post Magnetron Cilindrico ed a Triodo, per studiarne le diverse proprietà, caratterizzando i film ottenuti con tecniche di analisi non distruttive. In particolare, la tecnica Post Magnetron ha permesso di ottenere, all’interno della geometria del substrato, un ricoprimento protettivo in Niobio di spessore adeguato (5 um ); pertanto, sono state così effettuate analisi microstrutturali tramite XRD, analisi quantitative in termini di spessore e test indicativi di porosità.

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SINTESI DI MATERIALI SUPERCONDUTTORI A15 IN SOSTITUZIONE DEL NIOBIO PER APPLICAZIONI IN CAVITÀ ACCELERATRICI SUPERCONDUTTIVE NELL’AMBITO DEL PROGETTO SPECIALE INFN “NUOVE TECNICHE DI ACCELERAZIONE”-Magistralis Degree Thesis Rossi Antonio Alessandro

Author: Rossi Antonio Alessandro ; Type of thesis: Magistralis Degree Thesis
Abstract: Nuovi acceleratori di particelle necessitano di nuova tecnologia. Le cavità risonanti superconduttive in radiofrequenza sono il cuore della struttura accelerante e, a meno di idee rivoluzionarie nel metodo di accelerazione di particelle, ogni nuovo sviluppo di acceleratori futuri passa necessariamente per l’innovazione tecnologia delle cavità superconduttrici. ILC è un progetto di macchina acceleratrice svolto all’interno di una collaborazione internazionale di 12 paesi e 49 istituzioni e che prevede la produzione di circa 20,000 cavità superconduttrici in Niobio massiccio. Visto che ogni cavità risonante pesa circa 25 Kg (senza calcolare il materiale di sfrido) e che il niobio ha un costo di circa 600 Euro/Kg, è facile comprendere che, o si svilupperà una nuova tecnologia di fabbricazione, oppure il Large Electron Collider al CERN rimarrà l’ultimo dei grandi acceleratori. D’altronde un acceleratore non è fatto di sole cavità; affianco a queste sono da considerare i criostati, i liquefattori di elio, la radiofrequenza, il sistema di pompaggio e la realizzazione del tunnel.
C’è, quindi bisogno di tecnologia di fabbricazione a basso costo, ad alta riproducibilità, e di facile trasferibilità all’industria. Effettivamente questa tecnologia già esiste: è stata inventata al CERN negli anni 80 per la costruzione delle cavità ad elettroni del LEP, e circa 10 anni dopo, presso i LNL dell’INFN, ne è stata estesa la validità alla costruzione delle cavità per ioni pesanti del post-acceleratore ALPI. Si tratta delle cavità a film sottile di niobio su rame depositato per sputtering.
Le cavità ad oggi in uso sono di due tipi: in Nb massivo oppure in Nb depositato per sputtering su rame. Tali cavità operano all’elio superfluido, tra 1.5 e 1.8 K, operare invece a 4,2 K significherebbe una grande semplificazione tecnologica oltre che economica. A tal scopo pertanto, soprattutto in vista della prossima realizzazione dell’ILC, è necessario studiare composti superconduttori aventi temperatura critica (Tc) più alta di quella del Nb.
La temperatura di esercizio dell’acceleratore può essere aumentata in linea di principio utilizzando materiali superconduttori quali ad esempio il Nb3Sn già utilizzato per realizzare i magneti superconduttori. In accordo con la teoria BCS sulla resistenza superficiale materiali possibili candidati in alternativa al Nb per applicazione RF in cavità risonanti sono rappresentati dalla classe di composti A15 ed in particolare dal composto Nb3Sn già sperimentato in strutture superconduttive risonanti.
In questo lavoro inizialmente si è studiata una strategia di sintesi della fase Nb3Sn tramite la deposizione di multilayer di Nb e Sn con magnetron planari su campioni di zaffiro. In seguito, visti i rapidi successi, si è proceduto nello studio e alla realizzazione di un sistema da sputtering con post magnetron all’interno di cavità senza saldature in Nb, risonanti a 6 Ghz. Le proprietà RF di tali cavità di Nb3Sn depositato su Nb sono state quindi misurate con un sistema messo a punto già per precedenti lavori dal team in collaborazione con il quale ho lavorato. Continue reading →

NUOVE CONFIGURAZIONI DA SPUTTERING AD “ENHANCED IONIZATION DISCHARGE” PER FILM SOTTILI DI NIOBIO IN CAVITÀ ACCELERATRICI PER COLLIDER LINEARI DI NUOVA GENERAZIONE-Magistralis Degree Thesis Pira Cristian

Author: Pira Cristian ; Type of thesis: Magistralis Degree Thesis
Abstract: Questo lavoro di tesi è stato svolto nell’ambito di una possibile soluzione al problema del Q-slope, a partire dai risultati ottenuti dai precedenti lavori svolti dal gruppo di Scienza dei Materiali del Laboratorio di Superconduttività presso i Laboratori Nazionali di Legnaro dell’INFN.
Una delle cause più probabili del Q-slope è il basso Residual Resistivity Ratio (indice della purezza del materiale) dei film superconduttivi depositati. Si è cercato di aumentare il valore di RRR aumentando il deposition-rate del processo di sputtering mediante l’utilizzo di plasmi più densi. Un elevato deposition-rate diminuisce i tempi di deposizione (a parità di spessore) riducendo il numero di impurezze inglobate nel film in crescita. Si è studiata sia la possibilità di aumentare la densità di plasma con sorgenti esterne di tipo Hollow Cathode, sia quella di utilizzare il magnetron stesso in regime di emissione termoelettronica. Questo lavoro ha poi portato alla costruzione di un nuovo sistema di deposizione per cavità tipo TESLA da 1,5 GHz adatto a lavorare in regime di emissione termoelettronica. Con le varie configurazioni testate si sono depositate in totale 18 serie di campioni, che sono state opportunamente caratterizzate. I risultati ottenuti sono stati confrontati con le caratteristiche dei film depositati con il sistema CERN standard. Continue reading →

Elettropulitura del Niobio con elettroliti a base di liquidi ionici

L’uso di materiali superconduttori per la costruzione di cavità RF per gli acceleratori di particelle, permette di ottenere degli alti gradienti di accelerazione con basse perdite termiche.
Tra tutti i possibili materiali, il niobio massivo puro, con Tc = 9.2 K, presenta il migliore comportamento superconduttivo se sottoposto ad alti campi di RF. Per ottenere alti fattori di qualità (Q0) e alti campi acceleranti (Eacc), sono necessarie superfici piatte e libere da difetti superficiali. Le dispersioni si generano in uno strato superficiale di 50-100 nm che presenta
esternamente l’ossido nativo (5-10 nm) solitamente contaminato da polvere ed elementi adsorbiti durante il processo di pulitura superficiale.
I processi di pulitura chimici BCP (Buffer Chemical Polishing) generano ottime
superfici, nel particolare la lucidatura chimica ottenuta con la miscela FNP 1:1:2 (Acido Fluoridrico, Acido Nitrico, Acido Ortofosforico 1:1:2 v/v/v) da Kinter1 offre anche ottimi rendimenti. Nonostante questo, con il miglioramento delle tecniche di produzione, il trattamento finale è diventato il vero fattore limitante per l’ottenimento di gradienti acceleranti superiori a 35-40 MV/m2.
L’EP (Electrochemical Polishing) rappresenta una valida alternativa offrendo, già dalle prime applicazioni, un miglioramento rispetto ai processi chimici standard di lucidatura.
Infatti, anche se non è completamente chiaro il motivo, le superfici elettrolucidate presentano gradienti acceleranti maggiori delle superfici lucidate chimicamente.
D’altronde l’impiego dell’elettrolucidatura, condotta in HF 36% / H2SO4 4%, non evita l’uso di agenti chimici alquanto pericolosi. Nasce da questi presupposti codesto lavoro di tesi che si propone l’ambizioso obiettivo di rendere il processo più sicuro e allo stesso tempo meno costoso.

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