Journées Accélérateurs – Roscoff - 10 Octobre 2005

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Journées Accélérateurs Roscoff - 10 Octobre 2005 Bernard VISENTIN

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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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Journées Accélérateurs – Roscoff - 10 Octobre 2005

BernardVISENTIN

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

19Journées Accélérateurs Roscoff - 10 Oct. 2005B. Visentin