PROGRAMMA DI RICERCA

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1 ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Rapp. Naz.: Vincenzo Palmieri Rappresentante nazionale: Vincenzo Palmieri Struttura di appartenenza: LNL Posizione nell'i.n.f.n.: PROGRAMMA DI RICERCA Linea di ricerca Laboratorio ove si raccolgono i dati A) INFORMAZIONI GENERALI 1. Valicare i limiti dell' attuale tecnologia di fabbricazione delle cavita' superconduttrici sia in Niobio bulk che a film sottile. 2. Applicare i risultati di questo studio alla costruzione meccanica della cavita' a banda fotonica del gruppo di Napoli (esp. TEGAF) LNL Sigla dello esperimento assegnata dal laboratorio Acceleratore usato Fascio (sigla e caratteristiche) Processo fisico studiato Apparato strumentale utilizzato Studio di fattibilita' di films di Niobio cresciuti per SPUTTERING a spessori millimetrici, in alternativa alla saldatura EB. Studio del ruolo dell' angolo di deposizione sulle prestazioni del Q vs Campo accelerante. Studio del contatto RF Nb sputterato Nb sputterato. Macchine da sputtering, criostati, saldatura EB, SEM, XRD, TEM, XPS* * Relativamente all'xps, grazie all'aiuto di R.PARODI, c'e' disponibilita' del "Servizio Alte Tecnologie" della sezione INFN GE LNL Sezioni partecipanti all'esperimento Istituzioni esterne all'ente partecipante Durata esperimento 2 anni PERIODO B) SCALA DEI TEMPI : piano di svolgimento ATTIVITA' PREVISTA Studio di deposizioni di Niobio ad angolo variabile. Studio di fattibilita' di films di Niobio spessi. Studio contatto Nb/Cu Nb/Cu Costruzione prima meccanica cavita' a banda fotonica del gruppo di Na. Films ad angolo variabile: correlazione morfologia con proprieta' superconduttive. Films spessi: correlazione proprieta' meccaniche con parametri di deposizione Prove di saldatura Nb/Nb tramite sputtering Costruzione seconda cavita' a banda fotonica Mod EN. 1 (a cura del responsabile nazionale)

2 ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Struttura LNL Resp. loc.: Vincenzo Palmieri VOCI DI SPESA PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L'ANNO 2004 DESCRIZIONE DELLA SPESA Contatti Ditte di costruzione meccanica, di stampaggio, Saldara EB (Zanon Contatti gruppo di Napoli IMPORTI Parziali SJ Totale Compet. SJ In KEuro A cura della Comm.ne Scientifica Nazionale Contatti Karlsruhe, Saclay 1 Conferenza Niobio in lastra Lavorazioni meccaniche Saldatura al fascio elettronico Consorzio Ore CPU Spazio Disco Cassette Altro Stampi per fabbricazione cavita' Automazione processo di sputtering di film spessi 1 Mass flow controller e 3 valvole shut off Sono previsti interventi e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni? Breve descrizione dell'intervento: Mod EC./EN. 2 Totale (a cura del responsabile locale)

3 ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Struttura LNL Resp. loc.: Vincenzo Palmieri ALLEGATO MODELLO EC2 Mod EC./EN. 2a Pagina 1 (a cura del responsabile locale)

4 ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Struttura LNL Resp. loc.: Vincenzo Palmieri ALLEGATO MODELLO EC2 Mod EC./EN. 2a Pagina 2 (a cura del responsabile locale)

5 Proposta di Esperimento YAO ( ) La linea di ricerca di questo esperimento può schematicamente esser suddivisa in tre passi: i) Si intende studiare più approfonditamente le limitazioni di cui soffrono le cavità superconduttrici a film sottile. ii) Si intendono sviluppare nuove soluzioni tecnologiche di costruzione di cavità superconduttrici; iii) Si intende finalizzare quanto studiato alla costruzione della cavità a banda fotonica proposta dal Gruppo di Napoli. (V.Vaccaro, M.R. Masullo). Affrontiamo il problema partendo dal primo punto. i) Al variare dell angolo di incidenza del Nb sputterato il Q vs Eacc si degrada più facilmente. Queste nella figura seguente sono tre modelli di cavità a monocella aventi grossomodo la stessa frequenza di risonanza, ma differente beta. Cavita basso beta modello CERN (E.Chiaveri, R. Losito) Cavita 1.5 GHz modello CERN Cavita PACO Modello INFN/GE (R. Parodi, G. Gemme) Per dovere di cronaca, la cavità al centro è il modello sviluppato e super studiato al CERN. Quello a sinistra è un prototipo di cavità a basso beta realizzato su indicazione di E. Chaiveri, R. Lo sito del CERN, allo scopo di dimostrare l applicabilità delle tecniche di formatura seamless. Quella a destra è il prototipo disegnato da R. Parodi, G. Gemme (INFN-Ge) nell ambito dell esperimento PACO, realizzato ai LNL ed attualmente al CERN per lo sputtering.

6 Queste cavità vengono ricoperte tramite magnetron sputtering da Magnetron sputtering cilindrico. Essendo il catodo di sputtering giusto un tubo disposto coassialmente alla cavità, nel modello a sinistra gli atomi di Niobio sputterati raggiungono il substrato ad angolo radente, mentre al diminuire dello schiacciamento della cella centrale, come da fig. seguente, l angolo con cui gli atomi raggiungono il substrato diventa sempre più vicino alla normale. (courtesy R. Losito, CERN) Tralasciando il fatto che la cavità sferica INFN-Ge non è stata ancora sputterata esistono statistiche ben ricche di dati in cui al variare dello schiacciamento delle cavità, (ovvero esplorando lo sputtering fra i vari prototipi possibili fra la prima e la seconda foto) e quindi al diminuire dell angolo di deposizione la pendenza peggiora in modo esponenziale. Q α E acc (MV/M) Questo in schema, per fissare le idee. La figura reale più rappresentativa è appena sotto riportata. Il problema è stato affrontato al CERN, diminuendo le dimensioni del magnete all interno del catodo, e quindi rendendo la sorgente maggiormente puntiforme.

7 Questo ha diminuito la pendenza della curva, ma non ha dato una spiegazione ne esaustiva, né approfondita del problema. Non tutti sono convinti che l angolo di sputtering sia il vero problema. E anche se può sembrare poco opportuno riportarlo, a parere dello scrivente, il problema viene trascinato da anni nella comunità scientifica senza essere mai stato affrontato dall inizio alla fine. La proposta dello scrivente è quella di partire da pure considerazioni geometriche e dimostrare come le condizioni di sputtering e l angolo di deposizione possano giocare in modo combinato. Il modo in cui si intende affrontare il problema è quello di depositare contemporaneamente dalla stessa sorgente e con le stesse condizioni di deposizione su substrati disposti a vari angoli, costruendo il portasubstrati in figura. La ricerca verrebbe resa completa con l ausilio di esperti della comunità internazionale delle cavità superconduttrici (Halbritter, Parodi, Losito), e con l aiuto della Scienza dei Materiali di Padova (AFM, TEM, XPS etc.).

8 Va aggiunto per completezza di informazione che se per i linear collider ad alto gradiente, il Niobio depositato per sputtering non è stato adottato come possibile alternativa al Niobio massiccio, il motivo è proprio quello della diminuzione esponenziale del Q in funzione del campo accelerante. Veniamo al secondo punto, le soluzioni di fabbricazione alternativa: ii) Perche la comunità si è fermata solo sui films sottili? Con lo sputtering abbiamo esperienza di deposizione di films di Alluminio fino a 3 mm di spessore. Certamente ci sono dei problemi alla base, il substrato deve essere assolutamente privo di polvere in quanto un minimo granello agisce da punto di enucleazione di macroparticelle, ma questo problema è risolvibile, lavorando in maniera più accorta oppure bruciando la polvere con un ion gun prima di iniziare la deposizione. Inoltre tutta una serie di possibilità si aprono, se si pensa in termini di film spessi. Anziché depositare internamente ad una cavità si può depositare dall esterno e poi rimuovere l interno con un semplice attacco chimico. Ad esempio sputterare Nb esternamente su una sfoglia a velo di titanio, oppure comunque di getter non evaporabile. Il vantaggio è che i bagni chimici che rimuovono il Niobio attaccano senza problemi anche il titanio. I films spessi inoltre sono interessanti da studiare in alternativa alla saldatura EB. La saldatura EB ha sempre rappresentato un problema per la comunità dell cavità: per la fragilità della HAZ (Heat Altered Zone), per l inglobazione di impurezze se eseguita in alto vuoto anziché in UHV, per le protrusioni ed i crateri creati in prossimità della saldatura, per la possibilità di introdurre microcricche all interno del cordone di saldatura a causa di differenti coefficienti di dilatazione termica o stress anisotropi dovuti a laminazione per la grande probabilità di bucare il materiale se i parametri di saldatura sono male impostati e non controllati 100 volte per il tempo necessario per l esecuzione per il costo Dalle prove preliminari eseguite con l alluminio, possiamo affermare che lo sputtering di films spessi, può costituire un alternativa alla saldatura EB. Va a questo punto affrontata una campagna di deposizione e fatte misure. In particolare vanno studiate le proprietà superconduttive dei films di giunzione, vanno studiate le proprietà meccaniche, ovviamente prove di trazione, va studiato se dal punto di vista chimico, ci può essere un anomalia nei rate di etching a causa di eventuale porosità del giunto. Ovviamente questo modo di saldare è di immediata applicazione alla costruzione della cavità a banda fotonica napoletana. Altro punto che si intende studiare è il contatto RF Niobio- Niobio. Internazionalmente, guardando tutta la letteratura esistente, a causa di ossidi superficiali, a causa di cammini percolativi di corrente, questo contatto non ha mai funzionato. Circa 8 anni fa però il nostro gruppo realizzò una cavità superconduttrice RFQ in niobio sputterato su rame costruita in modo modulare, ovvero assemblando i vari componenti, cilindro, e cammelli e bastoni di supporto già sputterati singolarmente e poi avvitati dall esterno.

9 Questa cavità era solo di modello, ma il funzionamento di quest idea non fu mai verificato, in quanto si decise di studiare lo sputtering di una struttura già saldata. Ultimamente però si è visto per l RFQ PIAVE che il contatto rf Niobio - Niobio Sputterato su Rame, grazie alla duttilità del rame sputterato, dà risultati tanto più buoni quanto maggiore è la pressione di serraggio del giunto. Si intende studiare quindi le proprietà di un giunto Nb/Cu Nb/Cu e le proprietà di un giunto Nb Nb/Cu, soprattutto per applicarlo poi alla cavità a banda fotonica. Altro tema di studio, invece è la deformazione plastica di un piatto di Niobio ricoperto. Ovviamente sarebbe ben semplice se si potesse ricoprire un foglio di Rame con un film di Niobio e poi deformare questo ed ottenere una cavità. Tutto questo lo si intende focalizzato alla costruzione della cavità a banda fotonica del Gruppo di Napoli, di cui al disegno

10 La strategia che si intende seguire è a due step, dapprima la costruzione di una cavità tradizionale, e poi la costruzione di una cavità che utilizzi le scorciatoie trovate nell ambito dell esperimento. Passo 1 Passo 2 Costruire la FBC di Na in Nb bulk Utilizzando le tecniche tradizionali di EB e alternative di deformazione plastica Costruire la FBC di Na in Nb/Cu Utilizzando le tecniche alternative di deformazione plastica e quelle ultra innovative dei films spessi

11 ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Rapp. Naz.: Vincenzo Palmieri PREVENTIVO GLOBALE DI SPESA PER L'ANNO 2004 Struttura LNL A CARICO DELL' I.N.F.N. In KEuro Miss. interno di cui SJ Miss. estero. di cui SJ A Materiale Trasp. Affitti e Mater. TOTALE carico Spese Calc. Costr. appar. di cons. e Facch. Manut. inventar. Compet. di altri Enti di cui SJ Appar. di cui SJ di cui SJ di cui SJ di cui SJ di cui SJ di cui SJ 4,0 5,0 46,0 29,0 84,0 0,0 TOTALI 4,0 5,0 46,0 29,0 84,0 Note: NB. La colonna A carico di altri enti deve essere compilata obbligatoriamente Mod EC./EN. 4 (a cura del responsabile nazionale)

12 ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Nuovo esperimento Gruppo PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO Mod EN5

13 ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Rapp. Naz.: Vincenzo Palmieri PREVISIONE DI SPESA Piano finanziario globale di spesa ANNI FINANZIARI 2004 Miss. interno Miss. estero. Materiale di cons. Trasp. e Facch. Spese Calc. Affitti e Manut. Appar. Mater. inventar Costr. appar. In KEuro TOTALE Compet TOTALI 4,0 5,0 46,0 29,0 84,0 Mod EC./EN. 6 (a cura del responsabile nazionale)

14 ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Struttura LNL Resp. loc.: Vincenzo Palmieri N 1 2 RICERCATORE Cognome e Nome GALEAZZI Giuseppe PALMIERI Vincenzo COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA Qualifica Qualifica Affer. Dipendenti Incarichi TECNOLOGI al Dipendenti % Incarichi N % gruppo Cognome e Nome Ass. Ruolo Art. 23 RicercaAssoc. Ruolo Art. 23 Tecnol. P.A GREGGIO Cristiano Tecn. 60 I Ric PORCELLATO Anna Maria I Tecn 60 Numero totale dei Tecnologi Tecnologi Full Time Equivalent N TECNICI Cognome e Nome BADAN Luigi STIVANELLO Fabrizio VAROTTO Marco Qualifica Dipendenti Incarichi Ruolo Art. 15 CTer. CTer. Art.2222 Collab. tecnica Assoc. tecnica % Numero totale dei ricercatori Ricercatori Full Time Equivalent SERVIZI TECNICI Denominazione mesi uomo 1 Serv. Tecn. Mec. Mat Numero totale dei Tecnici 0.8 Tecnici Full Time Equivalent Annotazioni: KEPPEL Giorgio art INFM: 0% Osservazioni del direttore della struttura in merito alla disponibilità di personale e attrezzature Il supporto richiesto è compatibile con le risorse della struttura Mod EC./EN. 7 (a cura del responsabile locale)

15 ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Rapp. Naz.: Vincenzo Palmieri Data completamento MILESTONES PROPOSTE PER IL 2004 Giugno 2004 Studio di deposizioni di Niobio ad angolo variabile. Descrizione Giugno 2004 Studio di fattibilita' di films di Niobio spessi. Dicembre 2004 Studio contatto Nb/Cu Nb/Cu Dicembre 2004 Costruzione prima meccanica cavita' a banda fotonica del gruppo di Na Giugno 2005 Films ad angolo variabile: correlazione morfologia con proprieta' superconduttive. Giugno 2005 Films spessi: correlazione proprieta' meccaniche con parametri di deposizione Giugno 2005 Prove di saldatura Nb/Nb tramite sputtering Dicembre 2005 Costruzione seconda cavita' a banda fotonica Mod EC./EN. 8 (a cura del responsabile nazionale)