Superconducting Coated Conductors for Proton Beam Screens in High-Energy Particle Accelerators

Abstract

A fi d’impulsar la investigació de la física d’altes energies més enllà de la vida útil del Gran Col·lisionador d’Hadrons (LHC), l’Organització Europea per a la Recerca Nuclear (CERN) va iniciar una iniciativa de R + D per a un col·lisionador de protons de 100 TeV amb 100 km de circumferència, l’anomenat Future Circular Collider (FCC). Part de l’estudi del FCC és repensar el disseny de la pantalla del feix de protons, un component de l’accelerador que allotja el feix de protons i protegeix tèrmicament els imants superconductors de la radiació de sincrotró. El concepte de la pantalla del feix de protons del LHC es basa en un tub d’acer inoxidable recobert al seu interior amb coure. No obstant això, en les condicions operatives previstes pel FCC, és a dir, temperatures d’entre 40-60 K, sota camps magnètics de 16T i amb corrents induïts a la pantalla del feix de 0-1 GHz, és possible que el recobriment de coure no mostri una impedància superficial prou baixa per garantir un feix de protons estable. L’única classe de material coneguda que presenta menys resistència superficial en determinades condicions, és la formada pels superconductors. Des del gener del 2017, el grup de Materials Superconductors i Nanoestructures a Gran Escala de l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC) va iniciar una col·laboració amb el CERN per avaluar la idoneïtat i optimització de les cintes superconductores (CC, una estructura que consisteix en una capa de material superconductor sobre un substrat metàl·lic flexible) de REBa2Cu3O7 (RE = terres rares), com una possible alternativa al coure com a recobriment de la pantalla del feix de protons. En el marc d’aquesta tesi, hem caracteritzat les propietats elèctriques de diversos CC de REBCO disponibles comercialment, tant a DC com a corrents alterns d’alta freqüència, en un ampli rang de temperatures criogèniques i sota camps magnètics de fins a 9T, on hem fet servir un ressonador dielèctric de tipus Hakki-Coleman amb una freqüència de ressonància de 8 GHz per a mesures d’impedància superficial. Complementàriament a això, hem explorat la compatibilitat dels CC de REBCO amb els requisits de buit i qualitat de camp magnètic dins de la pantalla del feix del FCC, i hem desenvolupat una tècnica de recobriment que permet cobrir a gran escala superfícies metàl·liques corbes, com ara la càmera de la pantalla de feix, amb REBCO CC. Els resultats generats no només demostren que els CC de REBCO disponibles al mercat compleixen la promesa de mostrar propietats d’alta freqüència excepcionalment bones sota les condicions de mesura, sinó que també proporcionen solucions pràctiques a problemes que abans dificultaven l’ús de REBCO a la cambra de la pantalla del feix o altres aplicacions de microones d’alt camp.

Con el fin de impulsar la investigación de la física de altas energías más allá de la vida útil del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) inició una iniciativa de I + D para un colisionador de protones de 100 TeV con 100 km de circunferencia, el llamado Future Circular Collider (FCC). Parte del estudio del FCC es repensar el diseño de la pantalla del haz de protones, un componente del acelerador que alberga el haz de protones y protege térmicamente los imanes superconductores de la radiación de sincrotrón. El concepto de la pantalla del haz de protones del LHC se basa en un tubo de acero inoxidable recubierto en su interior con cobre. Sin embargo, en las condiciones operativas previstas para el FCC, es decir, temperaturas de entre 40-60 K, bajo campos magnéticos de 16T y con corrientes inducidas en la pantalla del haz de 0-1 GHz, es posible que el recubrimiento de cobre no muestre una impedancia superficial lo suficientemente baja como para garantizar un haz de protones estable. La única clase de material conocida que presenta una menor resistencia superficial en determinadas condiciones, es la formada por superconductores. Desde enero de 2017, el grupo de Materiales Superconductores y Nanoestructuras a Gran Escala del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC) inició una colaboración con el CERN para evaluar la idoneidad y optimización de las cintas superconductoras (CC, una estructura que consiste en una capa de material superconductor encima de un sustrato metálico flexible) de REBa2Cu3O7 (RE = tierras raras), como una posible alternativa al cobre como recubrimiento de la pantalla del haz de protones. En el marco de esta tesis, hemos caracterizado las propiedades eléctricas de varios CC de REBCO disponibles comercialmente, tanto en DC como en corrientes alternas de alta frecuencia, en un amplio rango de temperaturas criogénicas y bajo campos magnéticos de hasta 9T, donde hemos usado un resonador dieléctrico de tipo Hakki-Coleman con una frecuencia de resonancia de 8 GHz para medidas de impedancia superficial. Complementariamente a esto, hemos explorado la compatibilidad de los CC de REBCO con los requisitos de vacío y calidad de campo magnético dentro de la pantalla del haz del FCC, y hemos desarrollamos una técnica de recubrimiento que permite cubrir a gran escala superficies metálicas curvas, como la cámara de la pantalla de haz, con CC de REBCO. Los resultados generados no solo demuestran que los CC de REBCO disponibles en el mercado cumplen la promesa de mostrar propiedades de alta frecuencia excepcionalmente buenas bajo las condiciones de medición, sino que también proporcionan soluciones prácticas a problemas que antes dificultaban el uso de REBCO en la cámara de pantalla de haz u otras aplicaciones de microondas de alto campo.

In order to drive high-energy research beyond the lifetime of the Large Hadron Collider (LHC), the European Organization for Nuclear Research (CERN) kicked off an R&D initiative for a 100 TeV proton-proton collider with 100 km circumference, the so-called Future Circular Collider (FCC). Part of the FCC study is to rethink the design of the beam screen, an accelerator component that houses the particle beam and thermally shields the cold bores of the steering magnets from the synchrotron radiation. The concept of the LHC beam screen is based on a stainless steel tube coated in its interior with copper. However, in the foreseen operating conditions of the FCC, i.e. 40-60 K, 16T and 0-1 GHz proton bunch frequency, the copper coating might not display a low enough surface impedance to guarantee a stable beam. The only known material class, which exhibits a lower surface resistance at given conditions, is formed by superconductors. Since January 2017, the Superconducting Materials and Large Scale Nanostructures group at the Material Science Institute in Barcelona (ICMAB-CSIC) started a collaboration with CERN to evaluate the suitability and optimization of REBa2Cu3O7 (RE = rare-earth) coated conductors (CCs), a structure consisting of a superconducting material layer on top of a flexible, metallic substrate, as a possible beam screen coating alternative to copper. In the framework of this thesis, we characterized the electrical properties of several commercially available REBCO CCs with both direct and high-frequency current excitation in a wide cryogenic range and at large magnetic fields up to 9T, where we employed a Hakki-Coleman type dielectric resonator with resonant frequency 8 GHz for surface impedance measurements. Complementary to this, we explored the compatibility of REBCO CCs with vacuum and field-quality requirements within the FCC beam screen and developed an attachment technique which enables the large-scale coating of curved, metallic surfaces, like the beam screen chamber, with REBCO CCs. Generated results not only demonstrate that commercially available REBCO CCs fulfill the promise of exceptionally good high-frequency properties at measurement conditions, but also propose practical solutions to issues which previously hindered the usage of REBCO in the beam screen chamber or other high-field microwave applications.