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.