Conception d’un résonateur quadripolaire pour la caractérisation des propriétés de couches minces supraconductrices en régime radiofréquence pour les cavités accélératrices

Design of a Quadrupole Resonator for the characterization of the superconducting properties of thin films in radiofrequency regime

• Auteur / Autrice : Sarra Bira
• Direction : Michel Guidal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des accélérateurs
• Date : Soutenance le 04/06/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Claire Antoine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Marie Valente-Feliciano, Elisabeth Blanquet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Marie Valente-Feliciano, Elisabeth Blanquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Accélérateurs de particules

Cavités résonnantes (microondes)

Couches minces supraconductrices

Mots clés libres

Multi-couche

Supraconducteur

Couches minces

Accélérateur

Cavité accélératrice

SRF

Thin films

Multi-layer

Cavity

Superconductor

Accelerator

SRF

Résumé

Les cavités accélératrices supraconductrices sont aujourd’hui fabriquées en Niobium massif. C’est le seul matériau supraconducteur métallique pouvant être utilisé à l’état pur pour fabriquer les géométries complexes requises. Les progrès technologiques ont été tels ces dernières années que les qualités de surface obtenues permettent d’atteindre quasiment les limites intrinsèques du matériau. La recherche de nouveaux matériaux ou structurations de surface est aujourd’hui nécessaire pour dépasser la limite du Niobium massif. Ce travail de thèse s’inscrit dans ce contexte en abordant deux axes importants pour le déploiement de ces nouveaux matériaux. Premièrement, un dispositif de test d’échantillon dans des conditions représentatives de l’environnement d’une cavité accélératrice (température cryogénique, vide, champ électromagnétique radiofréquence) a été conçu. Il a été optimisé pour mieux répondre aux contraintes liées au dépôt de couches minces que les dispositifs actuellement en opération. Il est plus compact et permet de tester des échantillons de géométrie simple et de petites dimensions. Deuxièmement, des dépôts de couches minces de matériaux isolants tels que l’Al₂O₃ et l’Y₂O₃ ont été réalisés par la technique ALD (Atomic Layer Deposition). Leur propriétés et puretés ont été analysées par plusieurs techniques avant et après optimisation du traitement thermique. Le dépôt d’une telle couche, d’une dizaine de nanomètres, est cruciale pour l’amélioration des performances des cavités supraconductrices. A court terme, il permet la passivation de la surface du Niobium afin de supprimer la couche d’oxyde native présentant des propriétés supraconductrices amoindries. A plus long terme, cette couche isolante est indispensable pour le découplage des couches de matériaux supraconducteurs permettant la réalisation d’un blindage du substrat en Niobium.

Superconducting accelerator cavities are now made from solid Niobium. It is the only metallic superconducting material that can be used in its elemental form to fabricate the complex geometries required. Technological progress has been such in recent years that the surface qualities obtained almost reach now the intrinsic limits of the material. The quest for new materials or surface structures is thus necessary to overcome the limit of Niobium technology. This PhD work is addressing two important axes for the development of these new alternative materials. Firstly, a device for testing the sample under nominal conditions of an accelerating cavity (cryogenic temperature, vacuum, radio frequency electromagnetic field) was designed. It has been optimized to better meet the constraints associated with the deposition of thin films than the devices currently in operation. It is more compact and allows the testing of samples of simple geometry and small dimensions. Secondly, deposition of thin films of insulating materials such as Al₂O₃ and Y₂O₃ have been performed by the ALD technique (Atomic Layer Deposition). Their properties and purities were analyzed by several techniques before and after optimization of the subsequent heat treatment. The deposition of such a layer, of about ten nanometers, is crucial for the improvement of superconducting cavities performances. In the short term, it allows the passivation of the Niobium surface in order to remove the native oxide layer that impair the surface superconducting properties. In the longer term, this insulating layer is essential for the decoupling of multiple layers of superconducting materials allowing the realization of an efficient shielding of the Niobium substrate.