Eacc [MV/m] - TESLA Technology Collaboration

Transcription

Electropolishing of
niobium cavities
Lutz [email protected]
DESY -MPYR&D one single-cells
Rissen 2002
• Basics of electropolishing (EP)
• One-cell cavity EP
• Results of one-cell EP cavities
Benefits of electrolytic polishing (EP)
• bright and smooth surface
• more than 40 MV/m achieved in several 1.3 GHz
1-cell cavities
• works also for very different manufacturing
techniques (see later)
• 1400°C heat treatment seems to be unnecessary
• eventually the suppression of field emission
Lutz Lilje DESY -FDET-
01.03.02
Electropolishing of Niobium
• EP Electrolyte
(KEK / Siemens)
• 90 % H2SO4
• 10 % HF
• 30 °C
• 0,5 µm/min
01.03.02
01.03.02
Niobium surfaces
50 µm
50 µm
BCP
EP
01.03.02
Results from half-cell EP
1,00E+11
Strong field
emission due to
weld spatter
1,00E+10
Q0
After nitric acid rinse, 2 um BCP
and HPR
After HPR only
1,00E+09
Both cavities improved
significantly after more
surface treatment!
(see below)
Degradation due to
precipitated copper
from the cathode
1,00E+08
0
5
10
15
20
25
Eacc [MV/m]
30
35
40
01.03.02
45
Q-disease from half-cell EP
1,00E+11
1,00E+10
800°C firing
and one-cell EP
do not show
hydrogen
contamination
Q0
Hydrogen
contamination
leads to very
high surface
resistance after
half-cell EP
1,00E+09
Half cell EP + EP + bake
100K Test
800°C + 20 um EP + bake at 100 ° C
+ 100 K
1,00E+08
0
5
10
15
20
25
Eacc [MV/m]
30
35
40
01.03.02
45
CERN closed 1-cell EP
01.03.02
01.03.02
01.03.02
01.03.02
01.03.02
CERN
closed
1-cell EP
01.03.02
CERN closed
1-cell EP
01.03.02
Results: Electropolishing of 1-cell cavities
• ‘In-situ baking‘ is necessary to get best results for etched
and electropolished cavities.
• For electropolished 1-cells with bakeout, the average
gradient is around 35 MV/m
• Shown that air and nitrogen exposure do not change
cavity performance after 2 month and 15 month
respectively
• 800°C firing for removal of hydrogen from the bulk. No
significant change in cavity behaviour.
• Preliminary results on 1400°C heat treatment. No
significant changes in cavity behaviour.
• Influence of the electron-beam welding: Better vacuum
yields slightly better performance.
• Multipacting nearly always observed at 17-20 MV/m.
01.03.02
Vergleich von chemischer Beizung mit der Elektropolitur
3
Anzahl der Resonatoren
Chemische Beizung
Beizung
Durchschnitt
24 MV/m
Elektropolitur
2
Elektropolitur
Durchschnitt
35,7 MV/m
1
0
10
15
20
25
30
35
40
45
Eacc [MV/m]
01.03.02
Etched cavities without bakeout
1,00E+11
Strong degradation of the
quality factor
Q0
1,00E+10
1B3 (1,6 K)
1B5 (1,7 K)
1,00E+09
1B8 (1,7 K)
1S4 (2 K)
Thermal breakdown
1B1 (1,7 K)
1,00E+08
0
5
10
15
20
25
E acc [MV/m]
30
35
40
01.03.02
45
Electropolished cavities without bakeout
1,00E+11
Strong degradation of the
quality factor
Q0
1,00E+10
1S1 1.5 K
1S2 1.6 K
1S3 1.6 K
1,00E+09
1B3 2 K
1B5 1.6 K
Power limit of
the amplifier
1B8 2K
1B9 2 K
1,00E+08
0
10
20
Eacc [MV/m]
30
40
01.03.02
Onecell cavities before 800 °C with ‘in-situ‘ baking
1,00E+11
Q0
1,00E+10
1S2 1.6 K
1,00E+09
1B9 1.8 K
1B3 1.8K
1B5 1.8 K
1B8 1.8 K
1,00E+08
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Eacc [MV/m]
01.03.02
45
`In-situ´ Ausheizen der Resonatoren
• Die höchsten Feldstärken und hohen Gütefaktoren bei gebeizten und
elektropolierten Resonatoren waren nur nach Ausheizvorgang bei
niedrigen Temperaturen möglich:
• Parameter:
– Heizen der Resonatoren bei 100 - 120 °C
– Dauer: ca. 40 Stunden
– Druck im Resonator <10-6 mbar
– Schutzgasatmosphäre (N2 oder He) an der Aussenseite
01.03.02
`In-situ´ Ausheizen gebeizter Resonatoren
1,00E+11
Verbesserung des
Gütefaktors
Q0
1,00E+10
1,00E+09
EP + 10 um BCP
bakeout
Zusammenbruchsfeldstärke bleibt gleich
1,00E+08
0
5
10
15
20
25
Eacc [MV/m]
30
35
40
01.03.02
45
‘In-Situ’ Ausbacken eines elektropolierten Resonators
1,00E+11
Verbesserung
desdes
Verbesserung
Gütefaktors
Gütefaktors
Q0
1,00E+10
1,00E+09
EP
Limitiert durch
eingekoppelte
Leistung
EP + bake
Thermischer
Zusammenbruchsfeldstärke
verändert
Zusammenbruch
sich
1,00E+08
0
5
10
15
20
25
30
35
Eacc [MV/m]
01.03.02
40
45
Temperature mapping at
33MV/m
... before in-situ bakeout at 120°C
⇒ Large area in the high magnetic
field region of the cavity heats up
⇒ Global effect
... after in-situ bakeout at 120°C
⇒ Heating of the equator welding
⇒ Change of the surface properties
of the niobium
01.03.02
Surface resistance Rs
1E+03
Rs (nOhm)
1E+02
RBCS(T)
Electropolishing
before bake
1E+01
after bake
RRES
1E+00
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
1/T [1/K]
01.03.02
Q(Eacc) before bake
1,00E+11
Q0
1,00E+10
1,00E+09
1,6 - 1,8 K
2,0 K
2,16 K
2,18 K
1,00E+08
000,0E+0
10,0E+6
20,0E+6
30,0E+6
40,0E+6
Eacc [V/m]
01.03.02
Q(Eacc) after bake
1,00E+11
Q0
1,00E+10
1,55 K
1,00E+09
2,0 K
2,14 K
2,2 K
1,00E+08
000E+0
10E+6
20E+6
30E+6
40E+6
Eacc [V/m]
01.03.02
Change of the oxide structure ?
ARXPS by A. Dacca INFN
20,0
Thickness
[Monolayers]
18,0
7,4
16,0
3,1
14,0
0,7
12,0
0,4
2,3
0,1
7,6
8,0
4,9
7,7
2,5
11,5
3,8
4,0
5,8
2,2
0,5
0,1
1,9
1,4
0
3
26
50
2,0
0,0
2,1
0,1
4,2
10,0
6,0
2,2
0,2
1,5
Carbon
H2O
Nb2O5
NbO2
NbO
NbO0.2
3,7
1,7
2,6
122
Baking Time [hours]
01.03.02
Air exposure of an EP cavity
1,00E+11
Q0
1,00E+10
100 um EP hc + 100 um EP KEK
+ bakeout at 100°C
3 hours air exposure + HPR (no bake) + 3 hours drying
1,00E+09
2 month air exposure + HPR(no bake) + 3 hours drying
1,00E+08
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Eacc [MV/m]
01.03.02
45
Air exposure of an EP cavity
1,00E+11
1,00E+10
Q0
initial curve
3 hours air exposure
1,00E+09
2 month air exposure
1,00E+08
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Eacc [MV/m]
01.03.02
45
Stabilität der EP an reiner Luft
1,00E+11
39
37
33
1,00E+10
31
29
Eacc [MV/m]
Q0
27
25
1,00E+09
0,001
0,01
0,1
1
10
Time [h]
100
1000
10000
01.03.02
Q0
Eacc [MV/m]
35
Nitrogen exposure
1,00E+11
Q0
1,00E+10
1,00E+09
after 15 month of nitrogen exposure 1.6K
Initial curve 2K
1,00E+08
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Eacc [MV/m]
01.03.02
45
Onecell cavities after 800 °C (no bake)
1,00E+11
Q0
1,00E+10
1,00E+09
1S1 EP hc + 100 um EP + 800°C + 20 um EP
1S3 EP hc + 100 um EP + 10 um BCP + 100 um EP + 800°C + 20 um
1B4 EP hc + 75 um BCP + 100 um EP + 800 C+ 20 um EP
1B5 EP hc + 50 um BCP + 220 um EP + 800 C + 20 um EP
1B8 EP hc + 25um BCP + 140 um EP
1B9 EP hc + 240 um EP + 800 C +20 um EP
1,00E+08
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Eacc [MV/m]
01.03.02
45
Onecell cavities after 800 °C after ‘in-situ‘ baking
1,00E+11
Q0
1,00E+10
1,00E+09
1S3 EP hc + 100 um EP + 10 um BCP + 100 um EP + 800°C + 20 um+ bake
1S1 EP hc + 100 um EP + 800C + 20 um EP + bake
1B4 EP hc + 75um BCP + 100 um EP + 800 C + 20 um EP + bake
1B5 EP hc + 50 um BCP + 220 um EP + 800 C + 20 um EP + bake
1B9 EP hc + 240 um EP +800 C +20 um EP + bake
1,00E+08
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Eacc [MV/m]
01.03.02
45
Cavity performance before and after 800°C treatment
3
Number of cavities
Before 800°C
Average
35,0 MV/m
After 800°C
Average
36,3 MV/m
2
1
Electropolishing without high
temperature heat treatment
Electropolishing with 800°C
heat treatment
0
10
15
20
25
30
Eacc [MV/m]
35
40
45
01.03.02
Influence of the high temperature heat treatments
1,00E+11
Q0
1,00E+10
No high temperature heating
1,00E+09
800C
Before baking
1400C
1,00E+08
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Eacc [MV/m]
01.03.02
45
Einfluss der Hochtemperaturglühung bei 1400°C -Teil I
1,00E+11
Q0
1,00E+10
800C + bake at 100 ° C
800 C + bake 120 °C
1,00E+09
1400 C+ bake 100 C
1,00E+08
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Eacc [MV/m]
01.03.02
45
Influence of the high temperature heat treatments
1,00E+11
Q0
1,00E+10
1,00E+09
No heat treatment
after 800°C
after 1400°C
Before baking
1,00E+08
0
5
10
15
20
25
30
35
Eacc [MV/m]
01.03.02
40
45
Einfluss der Hochtemperaturglühung bei 1400°C - Teil II
1,00E+11
Q0
1,00E+10
No HT
1,00E+09
800 °C
1400 °C
1,00E+08
0
5
10
15
20
25
Eacc [MV/m]
30
35
01.03.02
40
45
Gibt es einen Einfluss der
Elektronenstrahlschweißung ?
• 11 einzellige Resonatoren wurden am CERN hergestellt
– defokussierter Elektronenstrahl, Verfahren sehr empfindlich
gegenüber Parameterveränderungen
– sehr gutes Vakuum: 10-6 - 10-7 mbar
• 4 einzellige Resonatoren wurden bei ACCEL hergestellt
– gerasterter Elektronenstrahl, bessere Strahlkontrolle
– Standardvakuum: 10-4 - 10-5 mbar
• DESY baut eine Anlage, die sehr gutes Vakuum mit einer
modernen Elektronenkanone kombiniert
01.03.02
Einfluss der Elektronenstrahlschweißung ?
2
Anzahl der Resonatoren
Total CERN
Total ACCEL
ACCEL
EB Welding ~10-5 mbar
Average 32,2 MV/m
CERN
EB Welding <10-6 mbar
Average 36 MV/m
1
0
15
20
25
30
Eacc [MV/m]
35
40
01.03.02
45
Influence of the electron-beam welding ?
2
Total CERN
Total ACCEL
CERN Average
33,8 MV/m
CERN Average
w/o defect cavity
36 MV/m
No. of cavities
ACCEL
Average
32,2 MV/m
1
0
15
20
25
30
35
40
Eacc [MV/m]
01.03.02
45
Multipacting
1,00E+11
Q0
1,00E+10
1,00E+09
First after 800C
Second after 800 C
after warmup to 18 K
1,00E+08
0
10
20
Eacc [MV/m]
30
40
• Stronger MP than in
etched cavities,
processing takes a few
minutes to half an hour
in cw test
• Typical level at 17-20
MV/m
• Degradation of the
quality factor
• After heating to 18K
the quality factor is
back to the initial
value, no new
processing needed
01.03.02
Multipacting:
Temperature mapping
• Heating moves along
the equator
• X-ray detectors and
electron pickups are
also showing activity
01.03.02
Hydroforming
and EP
1.00E+11
Kneisel TJANF
Kaiser, Singer DESY
Saito KEK
One-cell cavity
λλλ λ λ λ λ λ λ λ
λ
λ
νν
νν ν ν ν νν
ν
λ λ
λ
λ
ν ν ν
ν
λλ λ
λ λ
ν
ν
ν
λ
- 250 µm
s tandard e tch
ν
100 µm e -polishing
λ
ν
λλλλ
ν
ν λ ν νν
Qo
νν ν νν
νν
1.00E+10
DES Y S e amle s s Cavity
1K2
TES T at JLab
Mould
s
Axial
displacement
Water
pressure
10.00E+8
0
5
Test temperature: 2K
10
15
20
25
Eac c [MV/m]
30
35
Gap closed on
hydro forming
01.03.02
40
45
Spun and EP
cavities
Palmieri (INFN-LNL),
CERN-CEA-DESY
Collaboration
One-cell cavity
01.03.02
Testserie I: Statistikprogramm für die EP
– Ergebnisse auf den bisher gemessenen EP
Einzellern (5!) streuen sehr stark (30 - 43 MV/m) ,
d.h. kritische Parameter sind immer noch nicht
gut definiert
• ist es die EP oder vielleicht die Schweissnaht?
• Wenn EP: was ist der Grund für die Streuung
(Elektrolyttemperatur etc.)
– Mindestens 5 weitere Resonatoren mit Standard
EP Programm (EP + 100°C Backen) sind nötig
– evtl. weitere Resonatoren mit EP + 1400°C
01.03.02
Testserie II: Ausbacken und Anodisieren
• Kritische Parameter sind immer noch nicht gut definiert
– Temperatur (100 -140 °C)
– Dauer des Backens (20 - 40 Stunden)
– kann das Ausbacken die Quenchfeldstaerke auch verringern (H. Safa
bei SRF2001) ?
• Mehr Verständnis durch besser definierten Oxidationsprozess
(Anodisieren)
– erzeugen einer dicken, gut definierten Oxidschicht, dann Ausbacken
• Gutes Ergebnis für die Stabilität des Resonators bei Aussetzen an
Luft oder Stickstoff muss reproduziert werden
• Dies Programm wird von Untersuchungen auf Proben begleitet
01.03.02
Testserie III: Herstellungsverfahren
• verschiedene Herstellungsparameter sollen überprüft werden
• Reproduzieren von Ergebnissen aus anderen Labors (Jlab,
KEK)
• Testen der Cavities (Anzahl der Tests - s.u.)
– Hydroformed
» Mehrzeller ?
– Spinning
» Mehrzeller ?
– Nb/Cu Sandwich
» Quenchverhalten ?
– High RRR, low Tantalum
– Low RRR und EP
– Tumbling
– Vacuum Arc Deposition
01.03.02
Testserie IV: Einfahren von Prozeduren
• Neue Anlagen bei DESY müssen qualifiziert werden
– EBW Anlage
» Testen der Schweissparameter
» Wie gut muss das Vakuum bei der Schweissung sein?
– 2x9 EP Anlage
» Erste Systemtests an Einzellern
» Abläufe
» EP Parameter
• Firma Dockweiler
– qualifizieren als möglicher Ersatz für Einzeller EP
– andere Elektrolyte (?)
01.03.02
Testprogramm
Programm
Hohe Gradienten
Nötige Resonatoren
EP Statistik vervollständigen
EP CERN/ACCEL
Nötige Tests Kommentar
5
10 vor und nach Ausbacken
100 Grad, 120 Grad, 140
15 Grad
Anodisieren und Stabilität an
Luft
4
Vor und nach Ausbacken
24 evt. Oxipolitur
EP + 1400 °C
2
Ausbacken
4 vor und nach Backen
Alternative Herstellung
Hydroforming
Spinning
Nb/Cu Sandwich Cavities
Low tantalum, high RRR
Low RRR
Vacuum Arc deposition
3
10
2
10
3
2
6 Vor und nach Ausbacken
Vor und nach Ausbacken,
Wann gibt es diese
20 Cavities???
6 EP/ BCP/ Backen
20
6 EP + Backen
2
Testen von Prozeduren
Neue EP Anlage
Neue EBW Anlage
Dockweiler EP
Tumbling
Summe
2
5
2
4
4
5
4
8
EP + Backen
EP + Backen
EP + Backen
EP/ BCP/ Backen
134
01.03.02

Eacc [MV/m] - TESLA Technology Collaboration

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