Categoria: Magistralis Degree Thesis

Author: Nicola Pretto ; Type of thesis: Magistralis Degree Thesis
Abstract: Le cavit`a acceleratici in radiofrequenza vengono utilizzate per la costruzione degli acceleratori di particelle (ioni o elettroni) e possono essere normalconduttive, in Rame raffreddato, oppure in materiali superconduttori, ed in particolare in Niobio massivo.
In vista della costruzione di nuovi dispositivi di questo genere, all’Istituto
Nazionale di Fisica Nucleare, presso i Laboratori Nazionali di Legnaro, si sta
studiando la possibilit`a di applicare materiali A15, tipo Nb3Sn e V3Si, al posto del Nb. Il progetto prevede l’iniziale produzione di prototipi 6 GHz che permettono l’immediata verifica, su piccola scala, delle propriet`a RF del materiale e che porteranno alla produzione di altri tipi di cavit`a.
I materiali A15 sono estremamente fragili, per cui devono essere necessariamente ottenuti sotto forma di film sottili sulla superficie di pezzi meccanicamente stabili (lastrine o cavit`a) anzich´e in forma massiva.
La tesi ha preso in considerazione i trattamenti preliminari eseguiti sui cam- pioni prima dell’ottenimento dei film di A15, lo studio dei parametri di processo per ottimizzare lo stesso, i successivi trattamenti utili a migliorare la superficie esterna del superconduttore.
In contemporanea `e stata messa a punto la preparazione superficiale delle cavit`a 6 GHz in quanto, come `e noto, una buona superficie di partenza `e essenziale per il raggiungimento di un rilevante risultato finale.
L’effetto delle diverse operazioni `e stato monitorato tramite le tecniche d’indagine a nostra disposizione: microscopia ottica ed elettronica, profilometria, diffrattometria e spettroscopia X, spettrometria di massa, suscettometria e misure in radiofrequenza. Continue reading →

Author: Marco Guidolin ; Type of thesis: Magistralis Degree Thesis
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Author: Andrea Frigo ; Type of thesis: Magistralis Degree Thesis
Abstract: Allo scopo di guidare il lettore nella consultazione dell’elaborato, in questo paragrafo sono sintetizzati i contenuti di ciascun capitolo.
Nel capitolo 1 sono descritti i fondamenti della radiofrequenza, in particolare sono esposte le caratteristiche che differenziano le cavità superconduttive da quelle normalconduttive e sono sottolineati gli aspetti che rendono la ricerca sulle cavità acceleratici così intensa e promettente. Una parte è dedicata alla descrizione delle problematiche che affliggono le cavità di rame ricoperte di niobio e lo stato dell’arte della ricerca scientifica.
Il capitolo 2 fornisce una descrizione teorica del processo di sputtering e della sua applicazione alla deposizione di film sottili. Sono presentate le tre principali tecniche (DC, RF e magnetron sputtering) con l’intenzione di comprendere in che modo sia possibile variare le proprietà del film influendo sulla configurazione e sui parametri di deposizione.
Nel capitolo 3 viene descritto l’apparato utilizzato per fare le deposizioni e il metodo di preparazione dei substrati. Il capitolo 4 è di fondamentale importanza all’interno dell’elaborato: in esso sono presentati quattro possibili metodi per migliorare le proprietà dei film sottili di niobio: sono descritti i relativi fondamenti teorici e gli studi effettuati per testarne l’efficacia. Nella seconda parte del capitolo trova spazio la descrizione delle configurazioni per magnetron sputtering costruite insieme al riepilogo delle deposizioni effettuate. Nel capitolo 5 sono descritte le tecniche di caratterizzazione utilizzate prima attraverso una breve introduzione teorica, poi con uno schema dell’apparato di misura; sono inoltre raccolti tutti i risultati delle misure sui campioni e i relativi commenti. Il capitolo 6 contiene la progettazione di una configurazione da sputtering che è frutto delle conoscenze acquisite con il lavoro precedente. In appendice è riportato il listato del programma per la simulazione dei campi magnetici. Continue reading →

Author: Paolo Menegatti ; Type of thesis: Magistralis Degree Thesis
Abstract: Verrà introdotto il problema della determinazione della massa del neutrino, seguito dalla presentazione
delle iniziative avanzate dall’INFN per la soluzione di questo problema: MiDBD, CUORICINO e CUORE. Saranno anche analizzati i principi di costruzione e di funzionamento di CUORE, con un particolare accento sui problemi della contaminazione radioattiva e sui materiali impiegati Continue reading →

Author: Toffanin Stefano ; Type of thesis: Magistralis Degree Thesis
Abstract: In questo lavoro di tesi si cerca di affrontare un problema che sembra essere una sfida per la Scienza dei Materiali: riuscire a diminuire la contaminazione superficiale di impurezze radioattive presenti sui materiali che andranno a costituire il rivelatore di neutrini denominato CUORE all’interno dei laboratori del Gran Sasso.
La struttura di questo elaborato si pone proprio in questa ottica. Nel capitolo 1 viene definito lo stato dell’arte della contaminazione presente sul rivelatore, cercando di specificare del perché essa sia soprattutto superficiale.
Nel capitolo 2 viene data un’ampia panoramica di gran parte delle tecniche di pulizia presenti, siano esse meccaniche, chimiche o fisiche, cercando di declinarne la descrizione riguardo alla problematica considerata.
Il capitolo 3 è dedicato allo studio delle sorgenti ioniche, cioè degli strumenti mediante i quali si intende svolgere la procedura di pulizia.
Conseguentemente, alla luce di quanto ideato e progettato, nel capitolo 4 viene data un’ampia descrizione della facility costruita e della sua ottimizzazione.
Infine nel capitolo 5 viene descritta la procedura di pulizia, la preparazione e conseguente caratterizzazione di alcuni campioni per valutare e discriminare se il lavoro svolto può inserirsi all’interno dell’ampio processo di R&D che porterà entro 5 anni il rivelatore CUORE ad appurare se il neutrino sia o meno dotato di massa. Continue reading →

Author: Tonini Diego ; Type of thesis: Magistralis Degree Thesis
Abstract: L’utilizzo di materiali superconduttori per la costruzione di cavità per acceleratori di particelle consente di produrre campi elettrici estremamente elevati con consumi elettrici contenuti. Il guadagno in termini di potenza dissipata a parità di campo generato rispetto ad una cavità non superconduttiva è di un fattore 105, che compensa ampiamente il dispendio di energia aggiuntivo necessario per portare e mantenere la cavità alla temperatura dell’elio liquido .
La realizzazione e l’utilizzo di cavità acceleratrici in niobio depositato per sputtering su rame anziché in niobio massiccio rappresentano un grande vantaggio sia in termini di costi del materiale che di prestazioni, con questa tecnologia è infatti possibile aumentare notevolmente il fattore di qualità Q della cavità, definito come il rapporto tra l’energia immagazzinata e la potenza dissipata in ogni ciclo di radiofrequenza immesso all’interno della cavità stessa.
Le cavità in niobio depositato su rame in più possiedono una maggiore stabilità meccanica e hanno una migliore dissipazione del calore grazie all’elevata conducibilità termica della struttura di rame.
Sfortunatamente questo tipo di cavità possiede un grande limite, cioè la diminuzione di Q in funzione del campo accelerante che causa forti dissipazioni di potenza all’aumentare del gradiente di campo.
Da studi effettuati al CERN sulle cavità a medio  ( = v/c) realizzate in niobio depositato per sputtering su rame, sembra che l’angolo di arrivo degli atomi di niobio sulla superficie della cavità sia un parametro fondamentale per la qualità del film. In particolare è stato calcolato che l’angolo formato dalla direzione di arrivo degli atomi di niobio con la superficie del substrato deve essere maggiore di 28° per ottenere rivestimenti dalla proprietà superconduttive soddisfacenti.
È ben noto in letteratura che l’incidenza obliqua degli atomi che si depositano su di un substrato causa l’originarsi di una morfologia particolare del film in crescita, a causa soprattutto di effetti di ombra generati dalle rugosità del substrato, oppure da nuclei di crescita di atomi del film (auto ombreggiatura) . L’ombreggiatura genera un aumento di rugosità della superficie del film in base a due meccanismi:
1. le depressioni sul substrato ricevono un minor flusso di atomi quando questi arrivano ad angoli di incidenza radenti,
2. la bassa mobilità impedisce agli atomi già depositati di diffondere sulla superficie e ricoprire gli avvallamenti.
Ci si aspetta quindi un aumento di rugosità di un film depositato quanto più la direzione di arrivo degli atomi si allontana dalla normale alla superficie del substrato .
La morfologia del film influisce anche su altre proprietà, in particolare si è osservato che la resistenza residua di un film superconduttore aumenta con la sua rugosità ; data la forma complessa di una cavità acceleratrice ci si aspetta quindi una forte differenza nella rugosità dello strato di niobio depositato, e quindi una dipendenza delle proprietà superconduttive dalla posizione sulla superficie interna della cavità stessa.
Le cavità esistenti nei moderni acceleratori hanno forme varie e complesse e tipicamente presentano regioni in cui l’angolo di deposizione molto elevato, fino a 90°, perciò la deposizione di un film di niobio dalla morfologia uniforme al loro interno è un problema scientifico e tecnologico di grande rilevanza. Continue reading →

Author: Silvia Deambrosis ; Type of thesis: Magistralis Degree Thesis
Abstract: Il prossimo Linear Collider, pensato per funzionare con migliaia di cavità risonanti sarà la più grande macchina acceleratrice di particelle mai concepita. Producendo collisioni tra elettroni e positroni ad energia del TeV, costituirà uno strumento fino a pochi anni fa inimmaginabile nell’ambito dello studio di questioni di grande rilievo come la natura fondamentale di materia, energia, spazio e tempo. Ma l’unica reale possibilità che un tale ciclopico disegno di macchina acceleratrice venga finanziato, gestito e reso operativo è che la gestione scientifico-finanziaria del progetto sia internazionale.
Le tecnologie finora proposte per il collider lineare al TeV sono due: la prima – il Global Linear Collider (GLC) in ASIA ed il Next Linear Collider (NLC) negli USA – che prevederebbe strutture acceleranti normal-conduttive in rame; la seconda – TESLA in Europa o negli Stati Uniti – che invece prevede l’utilizzo di cavità risonanti superconduttrici di niobio massivo.
Sul problema si dibatte da almeno un lustro, ma è di questa estate la sensazionale notizia che la somma autorità nella comunità delle alte energie, l’ICFA ovvero l’International Commette for Future Accelerators, ha deciso quale tecnica utilizzare per l’effettiva realizzazione del nuovo collider. Le parole del Chairman della Commissione, riunitasi a Pechino ad Agosto 2004 furono: “Both the ‘warm’ X-band technology and the ‘cold’ superconducting technology would work for a linear collider. At this stage it would be however too costly and time consuming to develop both technologies toward construction. On the basis of our assessment, we recommend that the linear collider design will be based on the superconducting technology.”
E’ una decisione per certi versi inaspettata, ma assolutamente cruciale per l’orientamento della politica scientifica di vari laboratori nazionali a livello mondiale. Si parla di riconversione per chi sviluppava “cavità calde” e di potenziamento per chi invece già lavorava “con il freddo”. La Panel recommendation recita ancora: “The decision was a difficult but necessary one. It opens the way for the world particle physicscommunity to unite behind one technology and concentrate our combined resources on the design of a superconducting-technology linear collider.” La superconduttività giocherà un ruolo da leone nella politica dei futuri acceleratori di particelle, passando da tecnologia utilizzata per costruire al massimo 250 cavità a tecnologia utile per la costruzione di circa 20,000 cavità. E a tal punto, inevitabilmente il mondo scientifico rivolgerà l’attenzione allo sviluppo di nuove tecnologie di fabbricazione delle cavità o al problema della riduzione dei costi.
Negli ultimi dodici anni, il laboratorio di Superconduttività dei Laboratori Nazionali di Legnaro dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, presso cui si è svolto questo lavoro di tesi, è stato attivamente coinvolto nello studio del problema della riduzione dei costi delle tecniche di fabbricazione di cavità superconduttrici. Ora, il rinnovato interesse della comunità scientifica verso le strutture risonanti superconduttive costituirà un ulteriore incentivo.
La necessità di fabbricazione a basso costo, ad alta riproducibilità e di facile trasferibilità all’industria ha portato alla realizzazione e all’utilizzo di cavità acceleratici di niobio depositato per sputtering su rame. Le cavità a film sottile rappresentano un grande vantaggio rispetto al caso del niobio massiccio sia in termini di costi che di prestazioni. Oltre ad essere caratterizzate da un valore più elevato del fattore di qualità Q (rapporto tra l’energia immagazzinata e la potenza dissipata per ogni ciclo di radiofrequenza immessa all’interno della cavità stessa), le cavità di niobio depositato su rame mostrano sia una maggiore stabilità meccanica che una migliore conducibilità termica. Il problema però è costituito dal fatto che il fattore di merito crolli irrimediabilmente e con decadimento esponenziale all’au Continue reading →

Author: Francesco Todescato ; Type of thesis: Magistralis Degree Thesis
Abstract: I superconduttori trovano applicazione principalmente in due settori: DC persolenoidi superconduttori ad alto campo e radiofrequenzaper le cavità risonantiacceleratrici.
Per un superconduttore in RF dalla teoria BCS si ricava che la resistenza superficiale è data dalla somma della resistenza BCS, inversamente proporzionale in scala logaritmica alla temperatura di lavoro, più un termine residuo che risulta proporzionale alla resistività nello stato normale. Per aver la minor dissipazione possibile nelle cavità si vuole diminuire la resistenza che incontrerà il segnale RF e quindi si vogliono diminuire entrambi i contributi della resistenza totale.
Al fine di minimizzare la resistenza residua si devono scegliere dei materiali aventi minima resistività in stato normale e quindi minor quantità di difetti possibile: il materiale deve essere il più “metallico” possibile. Bisogna inoltre avere una resistenza BCS nulla o quasi e quindi cercare dei superconduttori ad “alte” temperature critiche. Un metallo molto utilizzato che risponde ad entrambe le caratteristiche richieste è il niobio: esso infatti presenta una resistività in stato normale pari a 12,5⋅108 Ωm e transisce in stato superconduttivo alla temperatura di 9,2 K, che risulta alta rispetto agli altri metalli di transizione.
Le più alte temperature di transizione superconduttiva non sono state però trovate in metalli puri ma in leghe o composti chimici basati sui metalli di transizione. Vi sono molti composti intermetallici in cui si sono trovate temperature critiche superiori ai 10 K ma i più promettenti sono i composti con struttura A-15. Gli scopritori della superconduttività ad alta temperatura di questa classe di materiali furono Hardy e Hulm studiando il V3Si, seguiti poco dopo dagli studi di Matthias sul Nb3Sn.

La formula chimica di questi composti è A3B dove gli atomi B formano un reticolo bbc e gli atomi A formano catene lungo le facce del cubo.
La caratteristica tipica di queste strutture è che gli atomi A costruiscono famiglie di catene lineari che si intersecano e le distanze fra gli atomi appartenenti ad una catena è la minor distanza fra atomi presenti nella struttura A-15. Gli atomi A sono sempre costituiti da elementi di transizione mentre i B possono essere anche elementi non di transizione. Vi è però una netta differenza legata alla natura dell’atomo B: se questo non risulta essere un elemento di transizione la struttura A-15 risulta nettamente più ordinata che nel caso in cui si abbia un metallo di transizione. Dei molti diversi materiali A-15 esistenti, il Nb3Sn è quello più studiato per le sue caratteristiche di alta temperatura critica (Tc = 18 K) e bassa resistività in stato normale. Esistono anche degli A-15 aventi temperature critiche superiori ma solitamente non sono stabili o presentano resistività residue superiori. Attualmente il Nb3Sn viene prodotto o tramite diffusione termica di multilayer di niobio e stagno o, nel caso di films sottili, tramite sputtering. Dato che gli acceleratori di particelle sono composti da migliaia di cavità risonanti si capisce come sia fondamentale riuscire a depositare films sottili di materiali superconduttori in maniera semplice e poco costosa rispetto agli attuali metodi. La tecnica CVD, e in particolare MOCVD, è la più indicata per effettuare il ricoprimento di grandi superfici di forma complessa in maniera economica. Lo scopo della presente tesi è duplice:
a) la ricerca e la sintesi di precursori metallorganici che permettano il deposito di films sottili di niobio metallico e di composti a base dello stesso;
b) una volta ottenuti tali precursori si inizieranno delle crescite pilota di niobio metallico e di Nb3Sn in modo da ricavare le migliori condizioni possibili per il deposito dei films. Continue reading →

Author: Nicolò Patron ; Type of thesis: Magistralis Degree Thesis
Abstract: La possibilità di utilizzare un materiale simile al diamante per ricoprire con uno strato sottile le superfici più diverse, sfruttandone in questo modo le eccezionali proprietà di durezza e di inattività chimica è realtà da circa un ventennio. Solo più recentemente l’affinarsi dei metodi di analisi ha permesso di comprendere meglio il collegamento tra le molte tecniche di deposizione utilizzabili e le proprietà dei corrispondenti film prodotti. Questo tipo di ricoprimenti di carbonio prendono il nome di Diamond-Like Carbon (DLC) e comprendono materiali che differiscono tra loro per la frazione di atomi di carbonio ibridizzati sp3 e per il contenuto di idrogeno. L’elevata durezza, il basso coefficiente d’attrito nei confronti dell’acciaio, di alcuni materiali ceramici e soprattutto dello stesso materiale Diamond-Like [1-4] e anche il fatto che questi strati sono chimicamente inerti ne fanno un materiale spesso utilizzato come film protettivo. Industrie come l’IBM, la Conner Peripherals e la Seagate [1,5] gia alla metà degli anni ’80 avevano in mano la tecnologia per depositare ricoprimenti duri di carbonio sulla superficie dei dischi rigidi di loro produzione, dischi utilizzati nei calcolatori elettronici per il salvataggio dei dati. In ambito ingegneristico la peculiare proprietà di autolubrificazione [1,6] dei film DLC permette di produrre dispositivi meccanici di dimensioni micrometriche (micro electro-mechanical device, MEMD) [7], di alta precisione e che non necessitano di alcuna manutenzione.
I film DLC presentano anche un’elevata biocompatibilità nei confronti del sangue, deifibroblasti (cellule che formano il tessuto connettivo) e degli osteoblasti (cellule che formano le ossa), per questo vengono recentemente utilizzati per ricoprire le teste dei femori artificiali e anche particolari valvole cardiache [8,9]. La proprietà di emissione elettronica a bassissimi campi elettrici di estrazione permette l’utilizzo di questi ricoprimenti per a costruzione di schermi detti ad emissione di campo (Field Emission Display, FED) [10-13] . Il carbonio ha una grande varietà di strutture, cristalline e amorfe, perché i suoi orbitali atomici del guscio di valenza (2s, 2p) sono in grado di formare tre tipi di ibridizzazioni stabili: sp3, sp2, sp1. Le combinazione lineari tra un orbitale s e tre orbitali p danno luogo a quattro orbitali ibridi sp3 ognuno dei quali è formato da un lobo più grande che punta verso un angolo di un tetraedro regolare ed uno minore che punta nella direzione opposta. La configurazione sp3 è quella del diamante in cui un elettrone di un atomo di carbonio a valenza quattro è assegnato a ciascuno degli orbitali ibridi diretti verso i vertici di un tetraedro regolare.
Questi formano un forte legame σ con un atomo adiacente. In Fig. 1.3 è illustrata la cella fcc del diamante con gli atomi di carbonio ibridizzati sp3 e quindi in configurazione tetraedrica. La sovrapposizione di un orbitale s con due orbitali p porta alla formazione di tre orbitali ibridi sp2 giacenti su un piano e con il lobo maggiore diretto verso gli angoli di un triangolo equilatero. L’orbitale pz che non partecipa all’ibridizzazione rimane su un asse passante per l’atomo di carbonio e normale al piano degli orbitali ibridi. La configurazione a tre legami planari sp2 è quella tipica della grafite in cui tre dei quattro elettroni di valenza entrano nei rispettivi orbitali ibridi. I legami σ che vengono creati giacciono sul piano definito dai due orbitali p usati nell’ibridizzazione e formano tra loro angoli di 120°. Il
quarto elettrone del carbonio si trova sull’orbitale pz e partecipa alla formazione di un legame π con uno o più elettroni di orbitali pz di uno o più atomi vicini. L’orbitale ibrido sp è frutto della combinazione lineare di un orbitale s con un px e come questo ha simmetria cilindrica rispetto l’asse x. L’elettrone in questo ibrido partecipa alla formazione un legame σ con un atomo di carbonio adiacente, i due elettroni Continue reading →

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). Continue reading →