Studio della Scalabilità del Processo di Elettro-Lucidatura al Plasma per l'Applicazione a Tecnologie Superconduttive a Radio-Frequenza (SRF)

Superconducting Radio Frequency (SRF) technologies have undergone almost 60 years of development and have optimized a list of processes, particularly for particle accelerators. Nevertheless, these technologies have found applications in various fields. The preparation of the surfaces of the SRF resonant cavities imposes extreme requirements, as the surface quality, whether it is the superficial part (first 40-100 nm) or the bulk part, it is closely connected to the superconductive performance at low temperatures below 9 K. Plasma Electrolytic Polishing (PEP) is a novel technique that can achieve lower roughness than ElectroPolishing (EP). This technique requires higher working voltages and diluted water solutions to establish a uniform Vapor-Gas Layer (VGL), which covers the surface of the anode during the process. This layer allows plasma ignition on the surface, leading to its levelling. PEP is an extremely fast polishing technique, with rates up to 5-30 times faster than standard electropolishing. Moreover, PEP can replace intermediate steps such as mechanical or chemical polishing due to its superior removal rate (2 − 8 / for Nb and 3 − 30 / for Cu) and efficiency of polishing, which enables the decrease of both macro and micro roughness. It is possible to achieve a roughness below 10 by removing less material compared to conventional electrochemical or chemical polishing methods. This study investigates Plasma Electrolytic Polishing for preparation of both Cu and Nb samples with the aim of scaling up the process to complex geometries, such as the elliptical cavities. The ultimate goal of this research is to develop a fast and an efficient polishing process for the preparation of SRF cavities and to demonstrate feasibility of 1.3 and 6 GHz cavity preparation, through several experiment involving also samples for QPRs and photocathode Cu samples, beyond 6GHz cavities. This project is supported by SAMARA experiment CSN5 and I.FAST project WP9 (This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation programme under Grant Agreement No 101004730).

Le tecnologie Superconduttive a Radio Frequenza (SRF) sono state sviluppate per quasi 60 anni e hanno contribuito all’ ottimizzazione di una serie di processi, in particolare per gli acceleratori di particelle. Queste tecnologie hanno trovato applicazioni in vari campi. La preparazione delle superfici delle cavità risonanti SR impone requisiti estremi, poiché la qualità della superficie, sia essa la parte più superficiale (primi 40-100 nm) o la parte più interna, è strettamente legata alle prestazioni superconduttive a basse temperature, ovvero al di sotto dei 9 K. Il Plasma Electrolytic Polishing (PEP) è una tecnica innovativa con cui è possibile ottenere una rugosità superficiale inferiore rispetto all'Electro-Polishing (EP). Questa tecnica richiede tensioni di lavoro più elevate e soluzioni acquose diluite per stabilire uno strato uniforme di Vapor-Gas Layer (VGL), che copre la superficie dell'anodo durante il processo. Questo strato consente l'accensione del plasma sulla superficie, portando al suo livellamento. Il PEP è una tecnica di lucidatura estremamente veloce, con velocità fino a 5-30 volte superiori rispetto alla lucidatura elettrochimica protocollata. Inoltre, il PEP può sostituire passaggi intermedi come la lucidatura meccanica o chimica grazie alla sua elevata velocità di rimozione (2 − 8 / per il Nb e 3 − 30 / per il Cu) e all'efficienza della lucidatura, consentendo la diminuzione sia della macro- che della micro-rugosità. È possibile ottenere una rugosità inferiore a 10 rimuovendo meno materiale rispetto ai metodi di levigatura elettrochimica o chimica convenzionali. Questo studio investiga la Plasma Electrolytic Polishing per la preparazione di campioni di Cu e Nb con l'obiettivo di scalare il processo a geometrie complesse, come le cavità ellittiche. L'obiettivo di questa ricerca è quello di sviluppare un processo di lucidatura veloce ed efficiente per la preparazione delle cavità SRF e dimostrare la possibilità della preparazione di cavità da 1,3 e 6 GHz, attraverso diversi esperimenti che coinvolgono anche campioni per QPRs e fotocatodi, oltre alle cavità da 6 GHz. Questo progetto è supportato dall'esperimento SAMARA CSN5 e dal progetto I.FAST WP9 (Questo progetto ha ricevuto finanziamenti dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell'Unione Europea, nell'ambito dell'Accordo di sovvenzione n. 101004730).