Thin Films on Copper for Superconducting RF Cavities within the Future Circular Collider Study

Abstract

Die Future-Circular-Collider-Studie (FCC-Studie) ist eine gemeinschaftliche, internationale Initiative, die von der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) angeführt wird. Ihr vorrangiges Ziel ist die Beurteilung der Machbarkeit eines neuen Speicherrings, dessen Zweck die Erforschung der Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik ist. Eine erhebliche Herausforderung auf dem Weg zu diesem Ziel stellt die Entwicklung supraleitender Hochfrequenz-Beschleunigerkavitäten (SRF-Beschleunigerkavitäten) dar, welche die erforderliche Beschleunigungsleistung bei gleichzeitiger Wahrung der Kosteneffizienz bieten. Bei der untersuchten Basisoption handelt es sich um die Niob-auf-Kupfer-Technologie (Nb/Cu-Technologie), bei welcher die Innenflächen der Kupferkavitäten mit einer supraleitenden Niob- Dünnschicht beschichtet werden. Die Machbarkeit der Verwendung von A15-Verbindungen, insbesondere Nb3Sn, als Beschichtungsmaterialien wird ebenfalls untersucht, auch wenn sich dieser Ansatz noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet. Die vorliegende Dissertation konzentriert sich auf die erste Phase der Forschung und Entwicklung (F&E) supraleitender Dünnschichten, welche am CERN zur Beschichtung von SRF-Kupferkavitäten hergestellt werden, nämlich auf die Herstellung und Charakterisierung der Dünnschichten in Form kleiner Proben auf ihren Substraten. Zur Beurteilung der Qualität der Dünnschichten und zur Untersuchung des Einflusses der gewählten Beschichtungsparameter ist eine Analyse der Supraleitereigenschaften der Dünnschichten unerlässlich. Die kritische Temperatur (Tc) ist ein Schlüsselparameter, welcher als ein Frühindikator der Supraleitereigenschaften der Dünnschichten dient. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit ein spezieller experimenteller Prüfstand entwickelt und beschrieben, welcher zur induktiven Vermessung der kritischen Temperatur Tc der Dünnschichten auf Kupfer entworfen wurde und welcher nun dauerhaft im Kryogenen Zentrallabor des CERN installiert ist. Um eine direkte und möglicherweise destruktive Manipulation der Probe zu vermeiden, wird eine berührungslose Methode gewählt, was die Durchführung weiterer Charakterisierungstests an derselben Probe ermöglicht. Darüber hinaus stellt die induktive Messung, mithilfe eines Aufbaus bestehend aus zwei Spulen, eine schnelle, preiswerte und zuverlässige Messmethode dar. Weiterhin stellt diese Arbeit eine Machbarkeitsstudie einer neuen Methode namens "Reverse-Coating"-Technik vor, welche auf die Herstellung nahtloser Kupfersubstrate für Nb/Cu-SRF-Kavitäten abzielt. Die Technik besteht darin, eine Niob-Dünnschicht auf einem Aufspanndorn abzuscheiden, der wie der endgültige Hohlraum geformt ist, und anschließend den Kupferhohlraum darum herum galvanisch zu formen. Anschließend wird der Aufspanndorn entfernt, wobei ein Kupferhohlraum mit einer funktionellen Niob- Dünnschicht zurückbleibt. Diese Technik macht auch die übliche Vorbereitung der Kupferoberfläche vor der Beschichtung mit der supraleitenden Dünnschicht überflüssig. Vorläufige Ergebnisse von flachen, scheibenförmigen Proben legen die Machbarkeit dieser Technik nahe. Abschließend untersucht diese Arbeit den Einsatz des bipolaren Hochleistungsimpulsmagnetronsputtern (HiPIMS) als Beschichtungsverfahren für Nb3Sn-Dünnschichten auf Kupfer. Ziel der Studie ist es, mögliche Korrelationen zwischen Tc, den Dünnschichtabscheidungsparametern und den Dünnschichtmorphologiedaten zu verstehen. Der Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung, ob mit HiPIMS, einer bereits für Niob demonstrierten energetischen Abscheidungstechnik, dichte Nb3Sn-Dünnschichten auf Kupfer erzeugt werden können, welche die erwartete kritische Temperatur Tc und eine korrekte Stöchiometrie aufweisen. Die noch laufende Studie liefert Erkenntnisse zur Optimierung des Abscheidungsprozesses von Nb3Sn-Dünnschichten auf Kupfer.

The Future Circular Collider (FCC) Study is a collaborative international initiative led by the European Organisation for Nuclear Research (CERN). Its primary objective is to assess the feasibility of a new circular collider intended to explore physics beyond the Standard Model. Toward this goal, developing superconducting radio-frequency (SRF) accelerating cavities that offer the required performance in terms of acceleration while maintaining cost-effectiveness represents a significant challenge. The baseline option being explored involves the niobium-on-copper (Nb/Cu) technology, which consists in coating the inner surface of the copper cavities with a superconducting thin film of niobium. The feasibility of using A15 compounds, particularly Nb3Sn, as coating materials is also being investigated, although this approach is still in its early developmental stages. This thesis work is focused on the initial phases of the Research and Development (R&D) of superconducting thin films produced at CERN for coating SRF copper cavities, namely when the coatings are produced and tested on their substrates in the form of small samples. To evaluate the quality of the films and study the impact of the chosen coating parameters, it is important to analyze their superconducting properties. The critical temperature (Tc) is a key parameter of interest, serving as an early indicator of the film's superconducting performance. For this, a dedicated experimental test station designed for the inductive measurement of the Tc of superconducting thin films on copper, now permanently installed at the CERN's Central Cryogenic Laboratory, is developed and described in this work. A non-contact method is chosen to avoid any direct, and possibly destructive, manipulation of the sample, which allows for further characterization tests to be performed on the same sample. On top of this, the inductive measurement via a two-coil setup represents a fast, cheap and reliable way of measuring Tc. Additionally, this work presents a feasibility study of a new method called "reverse-coating" technique, aimed at producing seamless copper substrates for Nb/Cu SRF cavities. The technique involves depositing a niobium layer on a mandrel shaped like the final cavity, followed by electro-forming the copper cavity around it. The mandrel is then removed, leaving behind a copper cavity with a functional niobium layer. This technique also eliminates the need for the usual copper surface preparation prior to superconducting layer coating. Preliminary results from flat disk samples suggest the technique's feasibility. Finally, this work investigates the use of bipolar High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) as a coating method for Nb3Sn films on copper. The study aims to understand potential correlations between Tc, deposition parameters, and film morphology data. The focus is on investigating if HiPIMS, as energetic deposition technique already demonstrated for niobium, can provide dense Nb3Sn films on copper which also exhibit the expected Tc and a correct stoichiometry. The study, still ongoing, offers insights for optimizing the deposition process of Nb3Sn films on copper.