Nb thick films in 6 GHz superconducting resonant cavities

A key challenge for the next accelerators is the cost reduction. Bulk niobium cavities performances are closer to their theoretical limits and an alternative technology is mandatory. Niobium thin film copper cavities are the most explored solution, but the Q-slope characteristic of these resonators limits the applications where high accelerating fields are requested. In this work an original approach is adopted in order to enhance the performances of sputtered cavities, exploring the possibility to sputter 70 micron thick films to straighten up the Q-slope in Niobium sputtered copper cavities. The engineering of Nb thick films deposition on 6 GHz copper cavities, necessary to minimize the stress on niobium thick films and avoid film peeling from the substrate, is reported. Thick films show RRR values over 60. Different strategies have been used for stress reduction: deposition at high temperature of 550 °C, deposition at the zero stress pressure point (5∙10-2 mbar), and the development of a multilayer deposition procedure. Rf tests at 4,2 K and 1,8 K on 6 GHz resonant cavities are the tool used to evaluate the influence of the critical deposition parameters on the cavity performances. Two different venting procedures have been tested: a standard one, and a high temperature one, in which pure nitrogen is inserted in the vacuum chamber immediately after the end of the sputtering process. Thick films open the possibility to post treatments on sputtered cavities: the effect of buffer chemical polishing and heat treatments at different temperature have been investigated. The Rf tests on 6 GHz cavities show the fundamental role played by the surface preparation and the possibility to enhance the maximum accelerating field minimizing the film stress. Above all, for the first time, the possibility to obtain flat curve of Q-factor versus accelerating field in sputtered cavities with thick films it is demonstrated.

Una delle sfide chiave nel campo della tecnologia degli acceleratori di particelle è la riduzione dei costi delle future macchine acceleranti. Le prestazioni delle cavità risonanti acceleranti in niobio massivo sono vicine ai loro limiti teorici ed è necessario sviluppare una tecnologia alternativa. Le cavità di rame a film sottile di niobio sono la soluzione più esplorata, ma il problema del Q-slope, che affligge questi risonatori, ne limita le applicazioni negli acceleratori in cui sono richiesti elevati campi acceleranti. In questo lavoro viene adottato un approccio originale al fine di ottimizzare le prestazioni delle cavità niobio su rame, esplorando la possibilità di crescere film di 70 micron di spessore per eliminare, o quanto meno ridurre, il Q-slope nelle cavità ottenute via magnetron sputtering. Nell’elaborato si riporta l'ingegnerizzazione del processo di deposizione di film spessi di Nb su cavità di rame risonanti a frequenze di 6 GHz, e le strategie adottate per evitare il distacco del film dal substrato e ridurre al minimo lo stress del film cresciuto. I film spessi depositati mostrano valori di RRR superiori a 60. Le seguenti strategie sono state utilizzate per la riduzione dello stress: deposizione ad alta temperatura (550 ° C), deposizione alla pressione di zero stress (5 ∙ 10-2 mbar) e sviluppo di una procedura di deposizione multistrato. L'effetto dei parametri critici di deposizione sulle prestazioni della cavità è stato caratterizzato mediante test rf a 4,2 K e 1,8 K su cavità risonanti a 6 GHz. Sono state testate due diverse procedure di venting: una standard ed una ad alta temperatura, in cui l'azoto puro viene inserito nella camera da vuoto immediatamente dopo la fine del processo di sputtering. I film spessi aprono la possibilità di post-trattamenti su cavità sputterate: sono stati studiati gli effetti del buffer chemical polishing e dei trattamenti termici effettuati a diverse temperature. I test rf su cavità a 6 GHz mostrano il ruolo fondamentale svolto dalla preparazione della superficie e la possibilità di migliorare il campo accelerante massimo riducendo al minimo lo stress del film. Soprattutto, per la prima volta, è stata dimostrata la possibilità di ottenere attraverso la deposizione di film spessi via magnetron sputtering, una curva piatta del fattore di merito Q in funzione del campo accelerante in cavità risonanti a 6 GHz.