La fisica delle particelle si sta spingendo verso l’esplorare range di energia sempre più elevati, che richiedono strutture acceleranti sempre più performanti per essere sostenibili. Le performance delle cavità acceleratrici in Nb bulk attualmente hanno ormai raggiunto i limiti teorici imposti dal materiale stesso e risulta pertanto necessario guardare ad altri materiali superconduttori, tra i quali il più promettente è il Nb3Sn. Un superconduttore è caratterizzato dalla temperatura critica (Tc) sotto la quale esibisce resistenza elettrica nulla. In radiofrequenza sussistono ugualmente delle perdite dovute alla resistenza superficiale. Il Nb3Sn comporta una temperatura di esercizio di 18K doppia rispetto al Nb, questa caratteristica riduce la resistenza superficiale, consentendo l’aumento del campo accelerante massimo oltre a diminuire i costi criogenici. L’alto campo magnetico critico di 24T rende inoltre questo superconduttore adatto all’applicazione in cavità per la rilevazione di assioni. In questo lavoro è adottata la tecnica denominata Liquid Tin Dipping (LTD) per la creazione di film spessi di Nb3Sn su substrati di Nb a geometria complessa. Lo scopo principale del lavoro è la realizzazione di target per deposizioni di Nb3Sn via Magnetron Sputtering in cavità di rame a geometria ellittica. Data la flessibilità della tecnica, l’LTD è stata anche ottimizzata per il futuro ricoprimento della cavità per assioni. Metodologie di processo differenti sono state indagate per minimizzare le fasi indesiderate e per aumentare lo spessore finale del film (parametro critico in un target). Si è studiato l’effetto del tempo di dipping e del tempo di annealing, sviluppando un processo a più cicli (in presenza e/o assenza di vapori di stagno) per regolare la quantità media di Sn e variare i rapporti tra le fasi ottenute. Infine, è stata verificata l’efficacia di pretrattamenti di anodizzazione, già utilizzati nel processo Siemens (crescita di Nb3Sn per diffusione di stagno da fase vapore), nel favorire la nucleazione, producendo un film della fase desiderata più uniforme lungo tutta la superficie del campione. Ogni metodologia o variazione del processo è studiata mediante caratterizzazioni SEM, EDS e diffrattometria XRD; queste hanno permesso di valutare come le variabili di processo influiscano sulle caratteristiche finali del coating. Le analisi svolte dimostrano come è possibile ottenere film stechiometrici di Nb3Sn, privi di fasi spurie, partendo da substrati di Nb pre-anodizzati e rivestendoli mediante la metodologia ibrida, che prevede una doppio annealing in situ dopo il processo di dipping: un primo annealing in presenza di vapori di stagno, ed un successivo annealing in ultra alto vuoto.

STUDIO E SVILUPPO DELLE TECNICHE DI DEPOSIZIONE DI FILM SOTTILI DI Nb3Sn PER APPLICAZIONI IN CAVITAâ RISONANTI

Zanierato, Matteo
2020/2021

Abstract

La fisica delle particelle si sta spingendo verso l’esplorare range di energia sempre più elevati, che richiedono strutture acceleranti sempre più performanti per essere sostenibili. Le performance delle cavità acceleratrici in Nb bulk attualmente hanno ormai raggiunto i limiti teorici imposti dal materiale stesso e risulta pertanto necessario guardare ad altri materiali superconduttori, tra i quali il più promettente è il Nb3Sn. Un superconduttore è caratterizzato dalla temperatura critica (Tc) sotto la quale esibisce resistenza elettrica nulla. In radiofrequenza sussistono ugualmente delle perdite dovute alla resistenza superficiale. Il Nb3Sn comporta una temperatura di esercizio di 18K doppia rispetto al Nb, questa caratteristica riduce la resistenza superficiale, consentendo l’aumento del campo accelerante massimo oltre a diminuire i costi criogenici. L’alto campo magnetico critico di 24T rende inoltre questo superconduttore adatto all’applicazione in cavità per la rilevazione di assioni. In questo lavoro è adottata la tecnica denominata Liquid Tin Dipping (LTD) per la creazione di film spessi di Nb3Sn su substrati di Nb a geometria complessa. Lo scopo principale del lavoro è la realizzazione di target per deposizioni di Nb3Sn via Magnetron Sputtering in cavità di rame a geometria ellittica. Data la flessibilità della tecnica, l’LTD è stata anche ottimizzata per il futuro ricoprimento della cavità per assioni. Metodologie di processo differenti sono state indagate per minimizzare le fasi indesiderate e per aumentare lo spessore finale del film (parametro critico in un target). Si è studiato l’effetto del tempo di dipping e del tempo di annealing, sviluppando un processo a più cicli (in presenza e/o assenza di vapori di stagno) per regolare la quantità media di Sn e variare i rapporti tra le fasi ottenute. Infine, è stata verificata l’efficacia di pretrattamenti di anodizzazione, già utilizzati nel processo Siemens (crescita di Nb3Sn per diffusione di stagno da fase vapore), nel favorire la nucleazione, producendo un film della fase desiderata più uniforme lungo tutta la superficie del campione. Ogni metodologia o variazione del processo è studiata mediante caratterizzazioni SEM, EDS e diffrattometria XRD; queste hanno permesso di valutare come le variabili di processo influiscano sulle caratteristiche finali del coating. Le analisi svolte dimostrano come è possibile ottenere film stechiometrici di Nb3Sn, privi di fasi spurie, partendo da substrati di Nb pre-anodizzati e rivestendoli mediante la metodologia ibrida, che prevede una doppio annealing in situ dopo il processo di dipping: un primo annealing in presenza di vapori di stagno, ed un successivo annealing in ultra alto vuoto.
2020
134
Sputtering, Nb3Sn, Liquid Tin Dipping, Tin Vapour Diffusion, Cavità Acceleratrici
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.12608/22787