Film Superconduttivi di Nb3Sn per Sputtering con tecnica Multilayer-Bachelor Thesis ANDREA STAIANO

Author: ANDREA STAIANO ; Type of thesis: Bachelor Thesis
Abstract: This work has consisted, instead, in the production of Nb3Sn multilayer samples on niobium and sapphires substrates, and the subsequent interdiffusion by annealing. The multilayer deposition was made with two planar magnetrons with targets, respectively in Niobium and Thin, and a rotary plate, equidistant from the target, that contains the samples. The possibility to control the magnetrons current intensity permits to deposit thin films from the stoichiometry desired. Successively, the samples are annealed at 950°C and characterized.
The study on the samples is essential in order to inquire the productive method to use for the niobium cavities. Up to now, previous works have produced Nb3Sn multilayer samples only on sapphire, not on niobium. Indeed, the deposition on Nb represents a lacking plug within the huge puzzle of the comprehension of the mechanism of the superconductive power of Nb3Sn.
The deposition of Nb3Sn directly on niobium substrate has not been experienced, yet. In this way, it is possible to study the microstructural and superconductive properties of the film to have indications and then extend the deposition technique inside the cavities …. segue Continue reading

L’ossido rameoso nelle applicazioni di celle solari ad effetto fotovoltaico-Bachelor Thesis De Bastiani Michele

Author: De Bastiani Michele ; Type of thesis: Bachelor Thesis
Abstract: In questi ultimi anni i problemi energetici e ambientali hanno favorito lo sviluppo di un nuovo settore della ricerca riguardo la produzione di energia pulita sfruttando fenomeni naturali. L’attenzione dei ricercatori è stata catturata dalla possibilità di convertire l’energia solare luminosa
in energia elettrica. Questo processo di conversione, nato nella prima metà del XX secolo, permette di produrre correnti elettriche anche in piccola scala, senza la realizzazione di imponenti impianti industriali e soprattutto senza la produzione si scorie inquinanti. Sono nate così le prime celle solari
a effetto fotovoltaico.
Gli sviluppi hanno portato a diversi risultati e al giorno d’oggi l’energia fotovoltaica ha ormai fatto il suo ingresso nella vita quotidiana. Sia i favori delle industrie, sia l’interesse dei privati cittadini, contribuiscono a espandere questo tipo di ricerca, ottenendo numerosi successi nell’aumento
dell’efficienza di conversione energetica. Dal punto di vista della scienza dei materiali la prima cosa che viene in mente pensando alle celle
fotovoltaiche è il silicio. A tutti gli effetti la maggior parte delle celle sul commercio sono costituite da silicio policristallino, per le sue ottime qualità e proprietà di resa. Tuttavia esistono anche una moltitudine di altri composti, alcuni più recenti di altri, che sono ancora nell’occhio dei ricercatori, un esempio ne sono i recenti foto-materiali organici. Spesso però i costi di realizzazione sono alti per ottenere rese elevate, rendendo così proibitive le realizzazioni su impianti industriali. L’ossido rameoso (Cu2O) è stato uno dei capostipiti dei materiali utilizzati nelle celle fotovoltaiche.
Fin dal suo primo utilizzo nel 1958 esso ha presentato le caratteristiche di semiconduttore necessarie alla realizzazione di impianti fotovoltaici. Rispetto ai sui cugini più nobili, presenta delle efficienze minori, ma anche un costo decisamente più basso. Il rame infatti, da innumerevoli anni, è un elemento largamente sfruttato in tutti i campi dell’elettronica e non solo, e la realizzazione di ossidi specifici non comporta processi troppo complessi o costosi.
La ricerca nel campo dell’ossido rameoso è riuscita a migliorare le sue qualità all’interno del mondo fotovoltaico rendendo possibile la realizzazione di celle solari a costi contenuti.
Per questo motivo il Cu2O è tutt’oggi un materiale in grado di competere nel moderno panorama della ricerca solare fotovoltaica. Continue reading

Review sui plasmi a pressione atmosferica-Bachelor Thesis Giovanni Vergari

Author: Giovanni Vergari ; Type of thesis: Bachelor Thesis
Abstract: Il plasma è un supporto particolarmente attivo dal punto di vista chimico e fisico. In base al modo con cui viene attivato e alla potenza di lavoro, può generare temperature basse o molto elevate e viene definito rispettivamente come plasma freddo o caldo. Quest’ampio range di temperature lo rende adatto a numerose applicazioni tecnologiche: rivestimento di superficie, smaltimento rifiuti, trattamento dei gas, sintesi chimiche, lavorazioni industriali. La maggior parte di queste applicazioni del plasma non sono ancora state industrializzate, sebbene il loro sfruttamento rispetti strettamente le norme sull’inquinamento.
I plasmi caldi (specialmente quelli ad arco) sono ampiamente industrializzati, con particolare diffusione all’interno del settore aereonautico. La tecnologia dei plasmi freddi è stata sviluppata in microelettronica, ma le apparecchiature da vuoto richieste ne limitano l’applicabilità.
Al fine di evitare l’inconveniente associato al vuoto, molti laboratori hanno provato a trasferire a pressione atmosferica processi che attualmente lavorano in vuoto. Le ricerche condotte hanno portato alla scoperta di varie ed innovative sorgenti che verranno descritte in questo elaborato.
Dopo un riassunto sui differenti tipi di plasmi, saranno descritte le varie sorgenti in termini di design, condizioni di lavoro e proprietà del plasma. In seguito l’attenzione sarà spostata sulle varie applicazioni (analisi spettroscopica, trattamento dei gas e processi sui materiali). Continue reading

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

Protocollo di pulizia superficiale di contaminanti radioattivi in ultratraccia sui componenti in rame per l’esperimento Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE)-Master Thesis DE BIASI Antonella

Author: DE BIASI Antonella ; Type of thesis: Master Thesis
Abstract: CUORE è un progetto internazionale che si propone come obiettivo la misura del tempo di decadimento doppio beta (decadimento ββ o DBD) del neutrino, cioè nell’occorrenza simultanea di due decadimenti beta nello stesso nucleo. Questo avviene mediante l’uso di un rivelatore composto da una schiera di 988 bolometri di TeO2, disposti in una configurazione cilindrica di 19 torri da 52 cristalli ciascuna. Dalla misura del tempo di decadimento dovrebbe essere possibile risalire direttamente alla massa del neutrino, uno dei grandi obbiettivi della ricerca attuale.
La pulizia superficiale della componentistica dell’esperimento CUORE è già stata oggetto di studio e lavoro, prodotti dal laboratorio di Superconduttività e Trattamenti di superficie dei LNL dell’INFN (per ulteriori informazioni si rimanda pertanto a detti elaborati [Menegatti (2005,2006)]).
Poiché il parametro cruciale di questo esperimento è il residuo della contaminazione radioattiva in superficie e la sua relativa rimozione, il più importante obbiettivo della fase di R&D di CUORE consiste nello sviluppare metodi per controllare e ridurre, a livelli trascurabili, il fondo radioattivo derivante da eventi di superficie. La configurazione di CUORE non permette un sostanziale aumento della sensibilità, se prima non viene messa a punto una procedura per abbattere di un ordine di grandezza l’inquinamento da Th e U presente sulla superficie dei cristalli e del rame. La pulizia della superficie dei materiali costituisce quindi una fase fondamentale affinché CUORE abbia successo.
Scopo dell’elaborato proposto è la compilazione di un accurato protocollo di pulizia in grado di ridurre la contaminazione radiattiva presente nel rame utilizzato. La procedura descritta nel protocollo è già in uso per pulire i campioni di CUORE, ma ha mostrato in alcuni punti lacune e problemi, che con il presente lavoro si cercherà di evidenziare e in taluni casi di risolvere. Un’analisi della procedura di pulizia è, infatti, fondamentale per apportare miglioramenti alla procedura stessa e capire quali saranno i prossimi passaggi da mettere a punto.
Scopo di questo lavoro è anche il fare il punto della situazione attuale per quanto concerne la pulizia superficiale dei campioni in Cu del progetto CUORE; questo scritto può costituire inoltre materiale informativo a disposizione dei gruppi scientifici che affrontano tematiche analoghe. Tra questi ultimi vi è il gruppo lavorante all’esperimento GERDA, proposto nel 2004 come un rivelatore di nuova generazione per la ricerca del decadimento doppio beta del 76Ge ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Continue reading

Applicazioni delle tecniche PVD alla fabbricazione di tegole bituminoso-metalliche utilizzabili da Tegola Canadese s.p.a. per il rivestimento decorativo e protettivo di opere architettoniche.-Master Thesis AZZOLINI OSCAR

Author: AZZOLINI OSCAR ; Type of thesis: Master Thesis
Abstract:

La collaborazione tra Tegola Canadese e LNL‐INFN è volta a studiare ricoprimenti a film sottile di substrati metallici, in particolare rame e alluminio, riconducibili ai prodotti tegole bituminose metalliche. I ricoprimenti PVD hanno come caratteristica principale il loro spessore compreso in un intervallo che va dalle centinaia di nanometri fino a qualche micron. Si intuisce come l’utilizzo di queste tecniche possa rivoluzionare la produzione di tegole dal punto di vista economico.
Infatti substrati metallici di basso valore su cui si realizzano ricoprimenti pregiati a film sottile come oro, argento o platino acquistano un valore intrinseco notevolmente superiore, risparmiando tutto il materiale in eccesso rappresentato dal bulk del substrato metallico. Inoltre l’utilizzo di film sottili su substrati metallici soggetti a ossidazione o attacchi chimici, come avviene per le tegole metalliche esposte agli agenti atmosferici, può essere la soluzione per
questo problema. Il rame ad esempio possiede una colorazione naturale ed è l’unico metallo oltre all’oro ad essere colorato, ma se esposto agli agenti atmosferici cambia la sua colorazione naturale per la formazione superficiale di suoi ossidi e sali a stechiometria variabile. Questi processi chimici impiegano anni per realizzarsi, fino a cento anni per ottenere il colore verde della Statua della Libertà, e non tutti i colori intermedi che si possono ottenere con una continua
esposizione alle intemperie sono gradevoli dal punto di vista estetico. Dapprima si crea un ossido di colore bruno‐marrone, che fa perdere la lucentezza del rame metallico; col passare del tempo questo ossido, arricchendosi di altri elementi presenti nell’atmosfera, diventa sempre più scuro, fino a giungere ad un colore tipo testa di moro. Infine assume definitivamente quella caratteristica tonalità verde o verde‐azzurra. La velocità con cui cambia colore dipende da diversi
fattori come ad esempio l’inclinazione della lastra, i composti presenti in atmosfera che variano tra le diverse zone geografiche e l’umidità. Come si può facilmente immaginare l’applicazione di
film sottili protettivi per il mantenimento nel tempo del colore originale del rame, oppure la realizzazione di ricoprimenti PVD con una colorazione verde stabile nel tempo, permetterebbero di realizzare edifici che presentino le due colorazioni esteticamente più interessanti: il color rame naturale e il verde‐azzurro. In questo lavoro di tesi si è sperimentata l’applicazione di materiali duri e inerti chimicamente come il DLC (acronimo di diamond like carbon) e la silice, che peraltro sono otticamente trasparenti alla luce visibile. Questi materiali offrono una possibile via di sviluppo di ricoprimenti protettivi di substrati come le tegole in rame, senza modificarne drasticamente la colorazione naturale e mantenendola nel corso degli anni. Continue reading

Liquidi Ionici per l’Elettropulitura di Cavità Superconduttrici in Niobio-Bachelor Thesis GIOVANNI MONDIN

Author: GIOVANNI MONDIN ; Type of thesis: Bachelor Thesis
Abstract: At LNL (Legnaro National Laboratories) a new type of electrolyte for niobium electropolishing is being tested. It is an ionic liquid, i.e. a salt that is liquid at room temperature, obtained by mixing two solids: urea and choline chloride. This electrolyte was first introduced in 2003 by Abbot et al. Subsequently, they showed its potential by successfully electropolishing stainless steel. Recent studies at LNL have proven that electropolishing niobium, using the above ionic liquid, is possible. The results are very promising considering the fact that this is a new process, virtually unknown, unlike the “classic” electropolishing process in acid solution, which dates back to the 70s and has been widely studied and improved.
If an efficient and reproducible method for electropolishing niobium superconducting cavities with ionic liquid were developed, it would demonstrate the existence of a viable alternative to the use of sulfuric and hydrofluoric acid in the treatment of cavity surfaces. In particular, it would be possible to introduce large-scale use of a chemical compound decidedly less dangerous, less polluting and less expensive than those used today.
In this thesis the electropolishing process of small niobium samples in ionic liquid has been investigated, with the aim of providing guidance for future tests on cavity electropolishing. By exploring the basic parameters involved in the process (current density, temperature, duration, stirring), the optimum values in order to obtain the best possible polished surface have been determined. Once the best conditions have been found… 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

Applicazione delle tecniche PVD al settore decorativo tramite deposizione su legno di film sottili d’oro e sue leghe-Master Thesis STRADA FABIO

Author: STRADA FABIO ; Type of thesis: Master Thesis
Abstract: THIS THESIS IS PROTECTED BY TRADE SECRET. IF YOU WANT TO CONSULT IT, You need to contact the Master Director

Oggi la legislazione italiana riconosce e tutela circa 200 distretti industriali di cui oltre 30 nel solo Veneto. Il distretto industriale è un agglomerato di piccole e medie imprese, ubicate in un ambito territoriale circoscritto, specializzate in una o più fasi di un processo produttivo e integrate mediante una rete complessa di interrelazioni di carattere economico e sociale. La formazione dei distretti industriali ha interessato prevalentemente settori industriali connotati da processi produttivi ad alta intensità di lavoro umano e scarsa automazione; innovazione legata a processi di learning by doing.
Tali caratteristiche sono riscontrabili nella produzione di beni di consumo durevoli (mobili, ceramiche, occhiali, gioielli, abbigliamento) e dei macchinari impiegati per la loro produzione. In Nord Italia, e in particolar modo in Veneto, esiste una forte tradizione di artigianato nel settore del legno e dei mobili d’arte, testimoniata dal fatto che i tronchi delle foreste locali venivano largamente impiegati dalla Repubblica di Venezia. Il distretto veneto del legno rappresenta oggi la maggior area mobiliera a livello nazionale, in cui operano centinaia di piccole e medie imprese. Aziende di tipo artigianale, che accentrano all’interno quasi tutte le fasi di produzione e delegano a specialisti solamente alcune particolari operazioni di finitura. Aziende con un prezioso bagaglio di conoscenze tecniche, preservate e valorizzate dal Distretto.
La sfida principale è allora quella di riuscire a sfruttare appieno queste conoscenze e saperle vendere nei tempi, modi e valori corretti. Difatti nella società moderna, dove dei mobili non si valuta quasi più la qualità ma solamente i tempi e i costi di realizzazione, un prodotto artigianale su misura rischia di essere declassato e considerato troppo oneroso rispetto ai prodotti industriali della concorrenza (soprattutto del Nord ed Est Europa). Quindi occorre che i mobilieri classici, con produzione artigianale, propongano nel modo corretto i propri mobili e complementi d’arredo, unici nel loro genere e con caratteristiche tattili e di durata nel tempo non paragonabili a prodotti trattati industrialmente a basso costo. A maggior ragione se si considera che i mercati esteri ormai assorbono la maggior parte della produzione, e il made in Italy si propone sempre più come un sinonimo di eleganza, design, lusso.
Mantenere la posizione di leadership mondiale nel mercato di fascia alta è possibile solo fornendo ai clienti prodotti che racchiudono un elevato valore intrinseco e una forte componente artigianale anche quando realizzati in serie. Il vantaggio competitivo è poi strettamente legato al contenuto di innovazione (incremento delle prestazioni, standard di sicurezza, impiego di nuovi materiali, etc.), e qui si comprende l’importanza del Distretto, tra i cui compiti c’è proprio quello di favorire gli investimenti in ricerca e sviluppo: ecco com’è nato questo progetto.
L’idea originale è di applicare a prodotti di interesse industriale tecnologie di frontiera, messe a punto in laboratori come quelli dell’INFN di Legnaro: nel caso specifico la deposizione di rivestimenti decorativi in metallo prezioso tramite deposizione fisico vapore (PVD). Questa tecnologia consente di realizzare film di spessore micrometrico o persino nanometrico (con evidente risparmio di materiale), e si propone come alternativa a tecniche più tradizionali e costose, come l’intarsio su legno. La prima parte della tesi sarà quindi dedicata all’esposizione dei fondamenti teorici della tecnica di deposizione PVD per sputtering, utilizzata durante il progetto.
Nella seconda parte sono presentate le fasi che hanno condotto alla realizzazione di un sistema prototipo da deposizione tramite DC magnetron sputtering di film sottili in metallo prezioso. Si parte dalle specifiche di portabilità, compattezza e fle 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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