Evaluation of the surface impedance of ReBCO coated conductors and requirements for their use as beam screen materials for the FCC-hh

Abstract

(English) The Future Circular Hadron Collider (FCC-hh) is a proposal for a 100-kilometre-long particle accelerator with collision energy substantially higher than previous colliders to expand the Large Hadron Collider (LHC) research. The selection of a low surface impedance beam screen coating material for such a high-energy collider has become of fundamental importance to ensure sufficiently low beam impedance and guarantee stable accelerator operation at high beam currents. Currently, copper is the baseline coating material. In comparison to it, only high-temperature superconductors (HTSs) in the form of ReBCO coated conductors (ReBCO-CCs) have a lower surface impedance and would provide for higher margins of beam stability at the expected operating temperature (40 - 60 K). Whilst theoretical studies of HTSs under FCC-hh conditions have proved encouraging, no experimental data of ReBCO-CCs subject to FCC-hh conditions exists to confirm these predictions. This thesis provides two main contributions: First, it presents the experimental set-ups designed and constructed to measure the surface impedance of ReBCO-CCs, on the basis of dielectric resonator structures of Hakki-Coleman and parallel plate type under AC and DC magnetic fields, photon irradiation, all at cryogenic temperatures, to mimic the environment of the beam screen in the FCC-hh. We also developed DROMS, an automated data acquisition software, and ARPE, a post-processing algorithm to accurately extract the parameters of the dielectric resonators -resonance frequency and quality factor- from the S-parameters of the vector network analyser. The second contribution consists in the results from experimentally-measured surface impedance of ReBCO-CCs from six different manufacturers. We present surface impedance as a function of temperature and under strong magnetic fields in the gigahertz range. Complementary to this, we analysed the non-linear behaviour of ReBCO-CCs in the presence of a magnetic field superimposed on radio-frequency electromagnetic fields with amplitudes comparable to the ones generated by proton bunches in the FCC-hh. Finally, we studied the effect of photon irradiation on the surface resistance in-situ and ex-situ, at the ALBA Synchrotron Light Source. Extrapolating from our data to 16 T and 1 GHz demonstrates the possibility of lowering the surface resistance of the beam screen by up to two orders of magnitude by using ReBCO-CCs instead of copper while the surface reactance is at the same order of magnitude. We conclude that ReBCO-CCs are suitable candidates to significantly reduce the resistive wall impedance in the FCC-hh.

(Español) El Future Circular Hadron Collider (FCC-hh) es una propuesta para un acelerador de partículas de 100 kilómetros de longitud con energías de colisión significativamente superiores a los colisionadores anteriores para expandir la investigación del Large Hadron Collider (LHC). La elección de un material de revestimiento de baja impedancia superficial para el interior del tubo de vacio se ha vuelto de fundamental importancia para garantizar una impedancia de haz suficiente baja. Esto permite un funcionamiento estable del acelerador con corrientes de haz altas. Actualmente el cobre es el material de revestimiento de referencia. En comparación con eso, solo los superconductores de alta temperature en forma de conductores recubiertos con ReBCO (ReBCO-CCs) tienen una menor impedancia superficial. De esta manera, prometen mayores márgenes de estabilidad del haz a la temperatura esperada de funcionamiento (40 - 60 K). Mientras los estudios teóricos de superconductores de alta temperatura en condiciones FCC-hh han sido prometedores, no existen datos experimentales de conductores recubiertos con ReBCO sujetos a condiciones FCC-hh para confirmar estas predicciones. Esta tesis aporta dos contribuciones principales. Primero, presenta las condiciones experimentales diseñadas y construidas para medir la impedancia superficial de ReBCO-CCs en base a estructuras de resonadores dieléctricos de tipo Hakki-Coleman y placa paralela bajo campos magnéticos AC y DC, irradiación de fotones, todo ello a condiciones criogénicas temperaturas, para imitar el entorno del tubo de vacio en el FCC-hh. También desarrollamos DRΩMS, un software de adquisición de datos automatizado, y ARPE, un algoritmo de posprocesamiento para extraer con precisión los parámetros del resonador dieléctrico -frecuencia de resonancia y factor de calidadde los parámetros S del analizador de redes vectoriales. La segunda contribución consiste en los resultados de las mediciones experimentales de impedancia de superficie de ReBCO-CC de seis fabricantes distintos. Presentamos la impedancia superficial en función de la temperatura bajo fuertes campos magnéticos en el rango de los gigahercios. Complementariamente, analizamos el comportamiento no lineal de ReBCO-CCs en presencia de un campo magnético superpuesto a campos electromagnéticos de radiofrecuencia con amplitudes comparables a las generadas por haces de protones en el FCC-hh. Finalmente, estudiamos el efecto de la irradiación de fotones sobre la resistencia de la superficie in-situ y ex-situ, en la fuente del luz del sincrotrón ALBA. La extrapolación de nuestros datos a 16 T y 1 GHz demuestra la posibilidad de reducir la resistencia superficial del tubo de vacio de hasta dos órdenes de magnitud mediante el uso de ReBCO-CC en lugar de cobre, mientras que la reactancia superficial está en el mismo orden de magnitud. Concluimos que los ReBCO-CCs son canditatos adecuados para reducir significativamente la impedancia de la pared resistiva en el FCC-hh.