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Cavités Supraconductrices à Hauts Gradients Collisionneurs Linéaires. Journées Accélérateurs – Roscoff - 10 Octobre 2005. Bernard VISENTIN. 500 GeV 1 TeV. 30 km 20 000 cavités 35 MV/m. - PowerPoint PPT Presentation
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2Journées Accélérateurs Roscoff - 10 Oct. 2005B. Visentin
Accélérateurs Linéaires SupraconducteursAccélérateurs Linéaires Supraconducteurs
30 km
20 000 cavités
35 MV/m
500 GeV
1 TeV
X-ray Free Electron Laser : 20 GeV – 2.1 km – 936 cavités – 23.5 MV/m
3Journées Accélérateurs Roscoff - 10 Oct. 2005B. Visentin
C. Adolphsen (SLAC)Eacc (MV/m)
Coû
t R
elat
if (
$ )
0
2
$Q
Eb
E
a acccryo
acc
lin
Hauts GradientsHauts Gradients
4Journées Accélérateurs Roscoff - 10 Oct. 2005B. Visentin
LA RECETTE : LA RECETTE :
Electrochimie + Etuvage Electrochimie + Etuvage
C1-03 ( EP cavity )
1E+09
1E+10
1E+11
0 10 20 30 40Eacc ( MV/m )
Q0
quenchRF powerlimitation
Eacc = 40 MV/m
EPAC’98SRF Workshop’97
5Journées Accélérateurs Roscoff - 10 Oct. 2005B. Visentin
Cathode - (Al) Anode + (Nb)
FS ( 1:9 ) V ( 17 volt ) – J ( 60 mA/cm2 )
eHONbOHNb 101052 522 OHNOONbHNONb 2523 5103106
Electrochimie Electrochimie ? ? Chimie Standard Chimie Standard
OHNbOFHHFONb 25252 3210
100 100 mm
100 100 mm
Trempage
FNP ( 1:1:2 )
réactioncontrôlePOH 43érésistivithvisqueuxanodiquefilmSOH te42
R & D fondamentale
6Journées Accélérateurs Roscoff - 10 Oct. 2005B. Visentin
ElectrochimieElectrochimieReproductibilité - Emission de ChampReproductibilité - Emission de Champ
R & D appliquée
7Journées Accélérateurs Roscoff - 10 Oct. 2005B. Visentin
OptimisationOptimisationdes Performancesdes Performances
F. Eozénou et al. (ThP02) – A. Aspart et al. (ThP03)SRF Workshop’2005
banc EP pour test sur cavité mono-cellule ( C. Antoine )
R & D appliquée
•Impuretés dans le bain EP
émission gaz (H2), dépôt (S) et corrosion à la cathode (Al)
rinçage à l’alcool des cavités
•Durée de vie du bain ( Nb dissout ): HF
FS ( 1:9 ) - 9 g/l FS ( 4:9 ) - 23 g/l
•Optimiser les paramètres EP ( V-I )
choix zone de fonctionnement ( plateau, …)
OHSSOAlSOHAl 234242 4)(42
234242 3)(32 HSOAlSOHAl
8Journées Accélérateurs Roscoff - 10 Oct. 2005B. Visentin
EtuvageEtuvage Phénomène Universel Phénomène Universel
in-situ (UHV) T = 110 - 120 °C t = 1 – 2 jours
C1-03 ( EP cavity )
1E+09
1E+10
1E+11
0 10 20 30 40Eacc ( MV/m )
Q0
quenchRF powerlimitation
C1-15 BCP Chemistry
1E+09
1E+10
1E+11
1E+12
0 10 20 30 40
Eacc ( MV/m )
Q0
I1 - before baking
I2 - after baking @ 110 °C / 60 hQuenchRF power
limitation
TTF 1.3 GHz - Saclay / KEKPoly-cristal
Sans Traitement ThermiqueElectropolissage
TTF 1.3 GHz - SaclayPoly-cristal1300°C / Ti
Chimie Standard 1:1:2
LL 2.2 GHz - JLabMono-cristal
800°C – 1250°C / TiChimie Standard 1:1:1
1E+09
1E+10
1E+11
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Eacc [MV/m]
Q0
Baseline
After 120 C, 24 h bakeT = 2 K
le traitement chimique … ( Electropolissage ou B C P )
Quelle que soit la structure du niobium … ( Mono or Poly-cristal,)
la méthode de fabrication …(Soudure FE or Hydroformage, Nb massif ou Nb/Cu feuilles) le traitement thermique … ( sans, 800°C, 1300°C/Ti )
9Journées Accélérateurs Roscoff - 10 Oct. 2005B. Visentin
Etuvage Etuvage Traitement DéfinitifTraitement Définitif
T = 120 °C / 2 jours
+
Exposition à l’air sans précautions
particulières- 4 ans -
Traitement HFRinçage Haute Pression
C1-03 ( EP @ KEK - Tests @ Saclay)I1 = E5 + air exposure 46 months
+ 20' HF + HPR1E+09
1E+10
1E+11
0 10 20 30 40Eacc ( MV/m )
Q0
E5 : ( 120°C / 60 h )
I1 : HF chemistry ( 20 mn )
quench
10Journées Accélérateurs Roscoff - 10 Oct. 2005B. Visentin
Q-Slope
Fit
Q-Slope before baking (EP BCP)
Q-Slope Improvemt
after baking
Q-Slope after baking ( EP < BCP )
No change after 4 y.
air exposure
Exceptional Results ( BCP )
Q-Slope unchanged after HF
chemistry
TE011 Q-slope
after baking
Q-slope existence on
Single Crystal Cav.
Quench EP > BCP
BCP Quench
unchanged after
baking
Magnetic Field
Enhancemt
OO simulat.
code
NN m ≠ BC2
S ≠
OO BC2
S
OO lowerm
-- NN high m
-- -- NN ww//oo
ssuurrffaaccee rroouugghhnneessss
OO lowerm
NN BC2
S
Interface Tunnel
Exchange OO E8
NN
OO Nb2O5-y
OO lower
NN Nb2O5-y
NN high
NN new
Nb2O5-y NN
iimmpprroovvtt
-- -- --
Thermal Feedback OO
parabolic
OO thermal properties
OO RBCS Rres
NN therm. propties
-- -- -- -- -- -- --
Magnetic Field
Dependence of
OO expontial
NN BC2
S ≠
OO BC2
S
OO higher BC2
S -- -- -- -- -- -- --
Segregation of Impurity
at G.B. ?? NN segregation
NN only O
diffusion
OO surface --
OO good
cleaning NN
chemistry -- NN ww//oo GG..BB -- --
Bad S.C. Layer Interstitial
Oxygen Nb4-6O ?? OO
NC layer OO
O diffusion NN NN interstitial re-appears
-- NN new
bad layer -- --
OO higher BC2
S
NN BC2
Observations Expérimentales
Th
éori
es
( 6
)
SRF Workshop ’ 2003 – Travemünde – TuO 01
Origine du Phénomène ? Origine du Phénomène ?
11Journées Accélérateurs Roscoff - 10 Oct. 2005B. Visentin
Pente àPente àHaut ChampHaut ChampEtuvageEtuvage
Diffusion ODiffusion O
dopage du Nbpar Oxygène
Hypothèse de Travail :Hypothèse de Travail :
R & D fondamentale
12Journées Accélérateurs Roscoff - 10 Oct. 2005B. Visentin
Paramètres Etuvage ( T , t ) Paramètres Etuvage ( T , t ) sans changer la Pénétration de l’ Oxygènesans changer la Pénétration de l’ Oxygène
O Diffusion( Thin Oxide Layer )
C/Q = exp ( … )
0,E+00
1,E+05
2,E+05
3,E+05
4,E+05
5,E+05
6,E+05
0 10 20 30 40 50 60
X ( nm )
C/Q
110°C/60h
145°C/3h
110 °C / 60 heures
équivalence
145 °C / 3 heures
O Diffusion( Semi Infinite Solid )
C/CS = erfc ( … )
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0 10 20 30 40 50 60
X ( nm )
C/CS
110°C/60h
145°C/3h
couche mince oxyde : C(x,0) = Q (x)
solide semi-infini : C(0,t) = CS
solutions analytiques
2
2
0 x
CeD
t
C RTEA
2ème loi de Fick
13Journées Accélérateurs Roscoff - 10 Oct. 2005B. Visentin
Etuvage Etuvage « « Rapide Rapide »» ( Ultra Vide ) ( Ultra Vide )
• lampes Infra Rouges ( montée rapide en T )
• pompage interne de la cavité
145 °C - 3 heuresSimilarités avec Etuvage Standard
Hypothèse Vérifiée
SRF Workshop ’ 2005 - Cornell University – TuP05
C1-09 ( BCP cavity )fast UHV baking
1E+09
1E+10
1E+11
1E+12
0 10 20 30Eacc ( MV/m )
Q0
V2 : baking 145 °C / 3 hours
V1 : no baking
quench
C1- 09 (BCP)fast UHV baking
1E-09
1E-08
1E-07
1E-06
0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70
1/T ( K-1
)
RS
( W )
without Baking
Baking ( 145 °C / 3 hours )
14Journées Accélérateurs Roscoff - 10 Oct. 2005B. Visentin
Banc de Test(Cryostat Vertical )
(Test RF )
Test RF
Etuvage sous Ultra Vide 110 °C / 2 jours 145 °C / 3
heures
Séchage Air : 3 heures
Rinçage Haute Pression - 85 bars (FE)
Assemblage + Test Hélium
Salle Blanche( Classe 100 )
Mise en Œuvre peu adaptéeMise en Œuvre peu adaptée
à la Productionà la Production en masse de Cavitésen masse de Cavités
Gain de temps : Etuvage rapide
Risques de fuite hélium (T) :
Etuvage avant Assemblage
Etuvage à l’air
Gagner une étape:
Etuvage remplace Séchage
R & D appliquée
Électrochimie + Rinçage Eau Ultra Pure
15Journées Accélérateurs Roscoff - 10 Oct. 2005B. Visentin
« Ultra Vide » « Ultra Vide » « Etuvage sous « Etuvage sous Air Air » » Interaction Interaction Atmosphère - Nb SurfaceAtmosphère - Nb Surface
cavité non fermée dans une Etuve(atmosphère pièce - pression atmosphérique )
110 °C60 heures
+ HPR
1E+09
1E+10
1E+11
0 10 20 30Eacc (MV/m)
Q0
C1-10 O1 ( BCP )
C1-10 S1 ( BCP + baking @ Atm. Press. )Quench
non "in-situ" baking
SRF Workshop ’ 2003 – Travemünde – MoP 19
Pas de modification apparente due à l’atmosphère, mais…
16Journées Accélérateurs Roscoff - 10 Oct. 2005B. Visentin
Etuvage RapideEtuvage Rapideà l’air à l’air
Mauvais Résultats après étuvage (RS, quench)
interaction entre atmosphèreet surface Nb( Etuvage Rapide UHV )
C1-16 ( BCP cavity )Wet Conditions
1E+09
1E+10
1E+11
1E+12
0 10 20 30Eacc ( MV/m )
Q0
AC1
AF1 Baking 135°C/3h (air)quench
145°C / 3 heures + HPR
C1-09 ( BCP cavity )fast Air-Baking
1E+09
1E+10
1E+11
1E+12
0 10 20 30Eacc ( MV/m )
Q0
Y1 : no baking
Y2 : baking 145 °C / 3 hours quench
ÉtuveCavité Humideaprès HPR
lampes IRCavité sèche
SB hygrométrie 60%
17Journées Accélérateurs Roscoff - 10 Oct. 2005B. Visentin
110 °C
3 h
110 °C
60 h
standard
145 °C
3 h
rapide
145 °C
60 h
Ultra Vide = + + -
Air + -
O % ( provenance : NbOX, Nb2O5 )
Pro
vena
nce
: H
2O e
n su
rfac
e
O %
Contrôler la concentration Oxygène dans Niobium
18Journées Accélérateurs Roscoff - 10 Oct. 2005B. Visentin
RF Test
Séchage Air Chaud : 145°C, t < 3 heures
Rinçage Haute Pression - 85 bars (FE)
Assemblage + Test Hélium
Salle Blanche( Classe 100 )
Etuvage OptimiséEtuvage Optimisépour la Productionpour la Production
Rapide Etuvage Air sur Cavité Humide sous Flux Laminaire (FE)
OK t < 3heures turbulences
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