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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 ? - PowerPoint PPT Presentation
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5-7 oct.2003 1DSM/DAPNIA/SACM / Journées Accélérateurs SFP S. Berry
Résultats récents en R&D Supra. HFContamination 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
5-7 oct.2003 2DSM/DAPNIA/SACM / Journées Accélérateurs SFP S. Berry
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 magnétiqueConclusions et perspectives
5-7 oct.2003 3DSM/DAPNIA/SACM / Journées Accélérateurs SFP S. Berry
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.
1E+09
1E+10
1E+11
0 10 20 30 40
Eacc (MV/m)
Qo
étuvage 110°C/60h(C105)recuit 1400°C+Ti (C105) HPR (C105)recuit 800°C (C110)sans recuit 800°C(C114)BCP (C115 I2)EP (C116 F4) EP (C116 F1)
5-7 oct.2003 4DSM/DAPNIA/SACM / Journées Accélérateurs SFP S. Berry
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
Hc= 180mT
Tc =9.2 K
État supraconducteur
État normal(dissipatif)
5-7 oct.2003 5DSM/DAPNIA/SACM / Journées Accélérateurs SFP S. Berry
Pourquoi la morphologie de surface ?
↑ locale du champ magnétique transite à l’état normal Quench
H < Hshm?
Tous les grains ne s’attaquent pas à la même vitesse relief
Supraconducteur tant que
5-7 oct.2003 6DSM/DAPNIA/SACM / Journées Accélérateurs SFP S. Berry
≡9.3mm#≈10mm
T (mK)
T (mK) résistance n° 10 résistance n° 11
Angle : 71° 5309,229 5562,09
76° 5362,684 5583,959
Zone du quench repérer par le carte de température
5-7 oct.2003 7DSM/DAPNIA/SACM / Journées Accélérateurs SFP S. Berry
cavité Nb C1 15
cavité d’essai
Marquage de la surface externe de la cavité
5-7 oct.2003 8DSM/DAPNIA/SACM / Journées Accélérateurs SFP S. Berry
marquage
premier support
second support
équateur cavité
Alignement de la cavité sur les supports
5-7 oct.2003 9DSM/DAPNIA/SACM / Journées Accélérateurs SFP S. Berry
face arrière
face avant
miroir
Repérage de la zone du quench sur la surface interne
mise en place du miroir et de la fibre optique
5-7 oct.2003 10DSM/DAPNIA/SACM / Journées Accélérateurs SFP S. Berry
zone chaude
bille : 3mm
Photos inversées avec bille et report de la zone chaude
soudure
5-7 oct.2003 11DSM/DAPNIA/SACM / Journées Accélérateurs SFP S. Berry
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
5-7 oct.2003 12DSM/DAPNIA/SACM / Journées Accélérateurs SFP S. Berry
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 hauteurZ 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 »
Surface de référence
soudure
5-7 oct.2003 13DSM/DAPNIA/SACM / Journées Accélérateurs SFP S. Berry
Paramètres classiques de rugosité
Rt, Ra, , 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)
(2) >> (3) même si Ra identiquesRt, Ra, , Sk, Ek identiques
5-7 oct.2003 14DSM/DAPNIA/SACM / Journées Accélérateurs SFP S. Berry
Modèle des structures convexes conformes équivalentes
Exemple de principe à 2D
plus précis pour décrire l’augmentation du champ magnétique
5-7 oct.2003 15DSM/DAPNIA/SACM / Journées Accélérateurs SFP S. Berry
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.
1 µm1000 µm
éch. recuits
FNP
FNS
EP
1024 steps square Not annealed Not annealed Not annealed Annealed Annealed Annealed Therm. Treat.Step length Parameter FNS FNP EP FNS FNP EP Surf. Treat.1 micron Ra (µm) 4,8 2,1 0,7 2,8 2,2 0,71 micron c (µm) 35,7 73,3 13,0 15,0 11,5 9,49 microns Ra (µm) 9,4 2,2 0,8 40,8 5,3 0,89 microns c (µm) 185,4 269,0 57,5 300,6 77,2 63,2
Échantillons : validation de l’acquisition et de l’analyse
5-7 oct.2003 16DSM/DAPNIA/SACM / Journées Accélérateurs SFP S. Berry
Analyse similaire sur des surfaces de référence dans la cavité (loin du point chaud) :
Zone du quench
Carré de 600 pas Hors de la soudure Sur la soudure
Longueur du pas Paramètre FNP FNP
10 microns Ra (µm) 6,1 ± 1,8 60,6 ± 23,4
10 microns c (µm) 96,5 ± 3,6 354,3 ± 7,2
Premiers résultats sur cavité
5-7 oct.2003 17DSM/DAPNIA/SACM / Journées Accélérateurs SFP S. Berry
Grain proéminent (20µm), long (2mm) et fin (200µm), perpendiculaire au champ magnétique
Direction champ magnétique
Direction soudure
Direction champ magnétique
Direction soudure
Après correction polynomiale MC
5-7 oct.2003 18DSM/DAPNIA/SACM / Journées Accélérateurs SFP S. Berry
Calculs d’augmentation du champ magnétiqueSchéma 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
5-7 oct.2003 19DSM/DAPNIA/SACM / Journées Accélérateurs SFP S. Berry
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 objetsObservation 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.
5-7 oct.2003 20DSM/DAPNIA/SACM / Journées Accélérateurs SFP S. Berry
Surfaces de Nb
MicroscopieMonocrystal Polycrystal Polycrystal + purification annealing
FNS
FNP
EP
Light Heavy100 µm
100 µm
100 µm
100 µm
250 µm
250 µm
250 µm
250 µm250 µm
5-7 oct.2003 21DSM/DAPNIA/SACM / Journées Accélérateurs SFP S. Berry
Premiers résultats sur cavitéInverted (-z) zoom of hidden area in fig. a)
Zoom of visible area in fig. a)
5-7 oct.2003 22DSM/DAPNIA/SACM / Journées Accélérateurs SFP S. Berry
Calcul d’augmentation du champ magnétique notre cas
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