R&D sur les cavités supraconductrices à radiofréquence

Cavité SPL en cours de traitement électrochimique

Aujourd’hui, le matériau incontournable pour la fabrication des cavités accélératrices à radiofréquences (RF) est le niobium, qui permet d’obtenir les meilleures performances. Dans les cavités, la supraconductivité est un phénomène localisé à la surface extrême du matériau, les 50 premiers nanomètres, qui doivent être exempts de défauts cristallins, chimiques ou morphologiques. La R&D sur les traitements de surface vise à mettre au point des techniques de traitement optimales (nettoyage, polissage, traitement thermiques), si possible transférables au milieu industriel. Un des procédés étudié est le polissage électrochimique des cavités qui permet aujourd’hui d’obtenir les champs accélérateurs les plus élevés. Ce procédé a été utilisé pour traiter les cavités conçues pour les applications à haute intensité.

 

Cavité pour l’ILC (International linear collider) installée sur le banc d’électropolissage vertical avant traitement.

Il est également important de localiser et identifier les défauts qui font transiter le niobium à l’état normal (quench). L’étude de la propagation des ondes thermiques dans l’hélium superfluide permet de simplifier la localisation du quench en limitant le nombre de capteurs. Les performances obtenues avec le niobium sont aujourd’hui proches des optimaux théoriques. Le développement de matériaux nanocomposites (alternance de supraconducteurs et d’isolants) permettrait d’augmenter le champ magnétique théorique acceptable et donc le champ accélérateur pour les accélérateurs futurs. Un choix judicieux du supraconducteur permettrait de plus d’abaisser les pertes.

 

 

Montage avec fenêtre transparente étanche aux acides permettant d’observer l’intérieur d’une cavité monocellule pendant traitement.

POLISSAGE ÉLECTROCHIMIQUE

La station d’électropolissage des cavités elliptiques en position verticale (réceptionnée en 2011) a été améliorée pour assurer le traitement de la cavité SPL dans le cadre du programme Eucard. La configuration verticale est particulièrement adaptée au traitement de ces résonateurs multicellules imposants (1,3 m, volume de 90 l), tout en assurant la sécurité des opérateurs. La cavité SPL a atteint un champ de 20 MV/m après traitement thermique, ce qui constitue une performance de référence pour ces structures. L'expérience à montré une asymétrie du procédé. Un dispositif permettant d’observer l’intérieur d’une cavité mono-cellule pendant traitement a été mis au point. La visualisation des fluides, et notamment du dihydrogène est ainsi possible. Des zones de stagnation de l’hydrogène sur la partie supérieure de la cellule sont constatées et la situation a été améliorée par l’utilisation de gaines maillées en Téflon pour piéger le gaz autour de la cathode. De plus la cavité est retournée à mi-traitement.

 

 

LOCALISATION DU QUENCH PAR LA MÉTHODE DITE DE SECOND SON

L’échauffement localisé dû au quench crée, dans l’hélium superfluide, une onde de chaleur de type second son qui peut être captée par des OST (Oscillating Superleak Transducers). La mesure du temps de parcours résultant doit permettre, par triangulation, de localiser le quench. Nous avons utilisé cette méthode sur de multiples tests de cavités monocellules, où la position du quench était précédemment repérée par mesure de température sur la surface externe des cavités. Un décalage avec le modèle d’une onde de second son émise ponctuellement et se propageant à la vitesse prédite a systématiquement été mesuré : les temps de parcours de l’onde sont plus courts que ceux attendus. Les hypothèses à l’étude sont notamment : une zone de quench étendue (quelques centimètres carrés) plutôt que ponctuelles, ou alors le changement de phase, voire l’ébullition de l’hélium près du quench, qui ferait perdre le caractère purement « second son » de l’onde de chaleur. Nous avons décidé de tester cette dernière hypothèse en mesurant le temps d’arrivée d’une onde de second son émise par une résistance de petite taille (34 mm2). La puissance émise, sous forme de pulse a été mesurée, jusqu’à des valeurs de plus d’un kilowatt. Ce qui montre que le modèle de l’onde du second son reste valable dans le cas d’une source quasi ponctuelle même à fort flux. Durant ces mesures, le temps de parcours de l’onde de chaleur est en adéquation avec la prédiction, et ce pour tout niveau de puissance. Il semble donc que d’autres aspects de la dynamique du quench soient à prendre en compte pour appréhender précisément les phénomènes à l’interface niobium/hélium, et expliquer les temps de parcours mesurés lors de tests de cavités.

 

Matériel utilisé pour l’étude de la propagation de l’onde thermique émise par une résistance.


DÉVELOPPEMENT DE SUPRACONDUCTEURS NANOCOMPOSITES

Les premiers résultats publiés par le SACM, prouvant la validité de ce concept proposé par le théoricien A. Gurevich en 2006, ont maintenant été confirmés par plusieurs laboratoires travaillant sur ce sujet dans la communauté internationale. La difficulté principale pour l’optimisation de ces structures est de pouvoir mesurer rapidement les performances d’un grand nombre d’échantillons. Pour cela nous avons développé un magnétomètre spécifique qui devrait permettre d’atteindre des champs ~ 10 fois plus élevés que les appareils similaires existants, et ce dans des gammes de températures correspondant aux conditions d’utilisation des cavités, y compris à T<2 K

 

 

champ à partir duquel les dissipations apparaissent permet de prédire l’amélioration espérée en champ accélérateur.. L’autre paramètre important (résistance de surface RF) demande aussi le développement de cavités spéciales « échantillons » qui se font actuellement dans le cadre de collaborations. Le Service est également impliqué dans plusieurs collaborations portant sur le dépôt d’échantillons multicouches par plusieurs méthodes différentes et leur caractérisation, dont les principales sont : IN2P3/CSNSM : dépôt de couches par « Molecular Beam Epitaxy » (MBE), et caractérisation RF des couches par cavité TE011 ; Eucard2 WP12.2 « thin films », avec le dépôt à l’INP Grenoble de couches par « Atomic Layer Deposition » (ALD) ou sputtering (Cern), et caractérisation (magnétométrie à Saclay et caractérisation RF par cavité quadripôle à HZB) et enfin KEK pour les développements théoriques.

 

 

 

 

Maj : 19/07/2017 (3317)

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