Résultats récents en R&D Supra. HF

Résultats récents en R&D Supra. HF • Contamination en hydrogène près de la surface pour diverses conditions électrochimiques • Variations des mesures de RRR avec le traitement de surface : effet d’inhomogénéité du matériau ou diffusion des impuretés aux joints de grains ? • Technique de réplique et approche topologique, deux outils consacrés à une meilleure caractérisation de la morphologie de surface à l'égard de l’augmentation du champ magnétique sur des cavités supraconductrices à l'emplacement du quench

Plan de la présentation • Situation • Origine du quench ? • Pourquoi la morphologie de surface ? • Procédé de prise d’empreinte (réplique) • Carte de température • Marquage de la surface externe de la cavité • Alignement de la cavité sur les supports • Repérage de la zone du quench sur la surface interne • Photos inversées avec bille et report de la zone chaude • Dépôt du polymère • Mesure de la morphologie de surface • Paramètres classiques de rugosité • Modèle des structures convexes conformes équivalentes • Échantillons : validation de l’acquisition et de l’analyse • Premiers résultats sur cavité • Calculs d’augmentation du champ magnétique • Conclusions et perspectives

Situation • Une instabilité thermomagnétique ("quench") initiée par un défaut localisé est à l'origine de cette limitation alors qu'une valeur de 55 MV/m est théoriquement envisageable. • Afin de comprendre et d'améliorer la position du quench sur la caractéristique Q0(Eacc), nous voulons savoir si le quench observé dans les cavités supraconductrice en niobium peut être lié à des défauts morphologiques.

État normal (dissipatif) Hc= 180mT État supraconducteur Tc =9.2 K Origine du quench ? • Défaut local de la surface (interface oxyde/air) • Défaut local sous la surface (NbO, Nb2O5) • Propriétés supra. du niobium (Hc, Tc et Jc) localement différentes à cause d’impuretés chimiques par ex. Oxygène interstitiel

Pourquoi la morphologie de surface ? • ↑ locale du champ magnétique  transite à l’état normal  Quench Tous les grains ne s’attaquent pas à la même vitesse  relief b H < Hsh Supraconducteur tant que m ?

DT (mK) Da≡9.3mm D#≈10mm Zone du quench repérer par le carte de température

Marquage de la surface externe de la cavité cavité d’essai cavité Nb C1 15

Alignement de la cavité sur les supports marquage équateur cavité premier support second support

Repérage de la zone du quench sur la surface interne mise en place du miroir et de la fibre optique miroir face arrière face avant

Photos inversées avec bille et report de la zone chaude zone chaude bille :  3mm soudure

Dépôt du polymère • méthode de réplique non destructive! • 1) négatif de la surface interne • 2) réplique positive de la surface • résolution en z : 0,1 micron bras articulé 2 négatifs dépôt direct

Surface de référence soudure Mesure de la morphologie de surface • Acquisition sur éch. ou répliques de cavités avec un micro-rugosimètre 3D • Stylet avec pointe diamant (90°, force de contact 1g ) • Mesure inductive de la hauteur • Z résolution : 0.1 micron (limitation du système de dépl. latéral) • X-Y résolution: 1 micron (limitation du pas du moteur) • Comparaison de la surface du quench avec des surfaces de « référence » (loin du quench) • 2 à 5 surfaces de « référence »

Paramètres classiques de rugosité • Rt, Ra, s, Sk, Ek • Quel paramètre pour décrire la surface de Nb ? • Les paramètres classiques ne sont pas adaptés pour une étude comparative des propriétés électromagnétiques. (1) (2) (3) (4) (5) b(2) >> b(3) même si Ra identiques Rt, Ra, s, Sk, Ek identiques

Modèle des structures convexesconformeséquivalentes • Exemple de principe à 2D plus précis pour décrire l’augmentation du champ magnétique

éch. recuits 1 µm 1000 µm FNP  FNS   EP Échantillons : validation de l’acquisition et de l’analyse • morphologies de surfaces sur échantillons. • différents traitements de surface : • FNP (HF/ HNO3 / H3PO4), • FNS (HF/ HNO3 / H2SO4 ), • EP (Électro-Polissage) • structure granulaire du Nb révélée. NB: axe Z amplifié • Acquisition et analyse au LMS de Besançon puis au LECA de Saclay. • Même précision sur les mêmes échantillons (par. clas. et abc écarts<10%). • Qualification hiérarchique des état de surface par l’analyse topologique.

Premiers résultats sur cavité • Analyse similaire sur des surfaces de référence dans la cavité (loin du point chaud) : • Zone du quench

Après correction polynomiale MC Direction champ magnétique Direction soudure Grain proéminent (20µm), long (2mm) et fin (200µm), perpendiculaire au champ magnétique Direction champ magnétique Direction soudure

Calculs d’augmentation du champ magnétique • Schéma de la surface (infinie dans une direction) • Cas général : deux zones non saturée et saturée • Notre cas : F=L=1mm; H=1 et 10µm; R de 0.01à1µm, • Saturée, (Hmax/H0)2-1~(R/H)-0.68, mesure de R et H =>calcul de b

Conclusions et perspectives • Nous avons développé de nouveaux outils (procédé et analyse) qui permettent de connaître la morphologie interne proche du quench (déterminé par la carte de température). • Applicables à d’autres objets • Observation d’un grain long et mince perpendiculaire au champ magnétique: • bon candidat pour une relation entre une irrégularité locale de surface et le quench. • Plus de données sont nécessaires • à venir autres cavités FNP / EP • A venir aussi : des mesures sur des cavités sans soudure • Nb hydro-formée et revêtue Nb(massif)/Cu • Cette irrégularité locale est-elle en relation avec la soudure ? Si cette observation est régulièrement confirmée, elle pourrait avoir de grandes conséquences sur le procédé de préparation des cavités.

Surfaces de Nb • Microscopie

Inverted (-z) zoom of hidden area in fig. a) Zoom of visible area in fig. a) Premiers résultats sur cavité

Calcul d’augmentation du champ magnétique notre cas

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