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.