Foto dell’apparato sperimentale dove sono realizzati i test con elevati campi elettrici. Questi campi vengono generati focalizzando la radiazione THz coerente prodotta a ISIR (Osaka). Lo spot rosso del laser indica la regione della superficie che viene irraggiata. [cortesia A. Irizawa – progetto MAECI]NUCLEAAR è uno dei progetti della linea di Ricerca e Sviluppo (R&D) degli Acceleratori e Tecnologie Associate del gruppo V che affronta le sfide scientifiche e tecnologiche necessarie a spingere le frontiere della ricerca sui futuri acceleratori. Lo scopo è quello di elaborare applicazioni tecnologiche e industriali innovative, soprattutto per la nuova generazione di acceleratori che seguirà LHC e di cui si sta discutendo in questi mesi nell’European Particle Physics Strategy Forum.
In questo contesto l’obiettivo del progetto NUCLEAAR è lo studio e lo sviluppo di ricoprimenti per migliorare le prestazioni delle cavità acceleranti. Per poter realizzare acceleratori di particelle a più alta energia e/o più compatti è necessario aumentare l’intensità dei campi elettromagnetici a cui operano tutte le strutture acceleranti. L’attuale tecnologia basata sul rame è oggi limitata dal danneggiamento che le superfici di rame di una cavità subiscono lavorando a elevati gradienti elettrici (100-200 MV/m) per lunghi periodi a seguito del fenomeno di breakdown.
NUCLEAAR si occuperà di studiare le proprietà di ricoprimenti realizzati con film di ossidi di metalli di transizione quali il MoO3 per migliorare le proprietà di resistenza termo-meccanica del rame. Gli ossidi di metalli di transizione – quali il MoO3 o il VO2 – sono infatti caratterizzati da un’elevata funzione lavoro, un parametro che controlla l’emissione degli elettroni dalla superficie e che può influenzare i fenomeni di breakdown che inevitabilmente avvengono all’interno di una cavità a RF. Gli ossidi sono altresì materiali con una resistenza meccanica superiore al rame e questo può a sua volta aumentare la resistenza al danneggiamento delle superfici interne delle cavità.
Test realizzati su superfici di rame ricoperte di ossidi metallici sono risultati molto promettenti, mostrando come il film aumenta notevolmente la funzione lavoro della superficie e ne migliora la resistenza al danneggiamento a seguito di scariche provocate da campi elettrici dell’ordine dei GV/m. Ricoprimenti di una struttura cilindrica sono in fase di realizzazione per caratterizzare le proprietà di un prototipo di cavità RF in rame ricoperta con un film sottile di MoO3.
Immagini delle iridi ricoperte d’oro di una struttura RF di rame. La struttura sottoposta ad alti campi elettrici dopo un periodo di funzionamento mostra chiarissimi segni di danneggiamento che diminuiscono con il tempo l’efficienza di queste strutture [cortesia V. Dolgashev, SLAC]. (G. Gatti, et al., X-band accelerator structures: on going R&D at the INFN, Nuclear Instr. Meth. A 829, 2016, 206-212)
(sinistra) Immagine ingrandita di un substrato di rame di rugosità ~30 nm irraggiato a ISIR (Osaka) con 5000 impulsi di radiazione THz all’angolo di incidenza di 30°. Il danneggiamento ha dimensioni di ~400 micron; (destra) immagine della regione centrale (~200 micron) della foto a sinistra ottenuta con il microscopio elettronico. Qui sono evidenti molte piccole strutture di ossido di rame che si formano nella zona centrale a seguito delle scariche provocate da un campo elettrico di qualche GV/m.Immagine ottenuta con un microscopio Raman che evidenzia il danno generato sulla superficie di rame dall’irraggiamento impulsato con la radiazione THz. La distribuzione di colori mostra la diversa concentrazione di ossido di rame (Cu2O) sulla superficie irraggiata.
Foto di un elemento di rame curvo con un sottilissimo ricoprimento di MoO3 nella superficie interna pronto per i test di irraggiamento. La possibilità di assemblare insieme questi elementi per formare una struttura cilindrica permetterà di collaudare per la prima volta nuove tipologie di cavità RF.
Rappresentazione schematica della funzione lavoro di una superficie metallica. L’altezza (misurata in eV) e la forma di questa barriera (linea blu) controllano la probabilità che un elettrone all’interno del metallo emerga dalla superficie per “effetto tunnel”.
INFN-LNF Laboratori Nazionali di Frascati
