WO1999017592A1 - Materiau supraconducteur renforce, cavite supraconductrice, et procedes de realisation - Google Patents

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WO1999017592A1
WO1999017592A1 PCT/FR1998/002068 FR9802068W WO9917592A1 WO 1999017592 A1 WO1999017592 A1 WO 1999017592A1 FR 9802068 W FR9802068 W FR 9802068W WO 9917592 A1 WO9917592 A1 WO 9917592A1
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thermal conductive
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Jean Marini
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/14—Vacuum chambers
    • H05H7/18—Cavities; Resonators
    • H05H7/20—Cavities; Resonators with superconductive walls
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing

Definitions

  • the invention relates to the production of structures associating a superconductive material with a mechanical reinforcement material, having good thermal characteristics.
  • An example of such a structure is that of sheets, or thin tubes, of niobiur. associated with a stiffening layer, for example made of copper or tungsten.
  • FIG. 1A represents an accelerating structure of an electron accelerator.
  • Such a structure is in the form of successive cavity cells 2-1, .... 2-9.
  • the particles are accelerated there by a radiofrequency wave generated by a klystron.
  • the length L is 1039 mm for a frequency of 1.3 GHz.
  • FIG. 1B represents an accelerating structure of protons.
  • Cells 2-10, ..., 2-13 made of niobium are immersed in a bath 3 of liquid helium.
  • Such a structure has a diameter D of 1.1 m for a frequency of 700 MHz.
  • a current j induced in the walls of the cavity leads to a loss of high frequency power.
  • the LONDON layer a thin layer of superconductive material. The typical thickness of the LONDON layer is about 100 nm and does not depend on the frequency, as is the case for the currents induced in a normal conductor.
  • FIG. 2A An example of such a rigidified structure is illustrated in FIG. 2A.
  • a corrugated tube 4 is produced with a large thickness of superconductive material, generally niobium, which is expensive.
  • the tube is an assembly of elementary parts 5, 7, 9, 11 assembled by welds 6, 8, 10.
  • FIG. 2B Another known structure, shown diagrammatically in FIG. 2B, consists in making cavity parts of material 12 of medium thickness, in welding them together by weld beads 16 and in strengthening them by a ring 14 at the height of the irises. (regions or areas with the smallest diameter). Consequently, to counteract the effect of Lorentz forces, the use of thinner niobium requires welding of stiffeners 14, complicating the manufacturing process and making it difficult to control the dimensions due to the shrinking after welding. In addition, such a technique makes it difficult to obtain reproducible dimensions.
  • FIG. 2C Another technique (FIG. 2C) consists in depositing a thin layer 22 of niobium on a very thick copper substrate 20. This method solves the problem of stiffening the structure.
  • the structure obtained has limitations in terms of accelerating field which it is possible to reach. Indeed, for reasons related to the structure of the niobium superconductive layer deposited by "sputtering" on the copper substrate, the maximum electric fields likely to be reached remain of the order of 10 MV / m. For other machines, and in particular e + -e " colliders, this field is clearly insufficient.
  • the first term describes the BCS losses, the second the losses due to the residual resistance and the third the non-quadratic losses.
  • Electrons are extracted from the surface beyond a certain surface field, according to Fowler-Nordheim theory. They can then be accelerated by the electromagnetic fields which reign in the structure. These electrons, emitted by field effect and accelerated by the electromagnetic wave, can then collide with the structure of the cavities, in another place, and dissipate their kinetic energy in the form of heat.
  • a “quench” or “thermal breakdown” generally starts in a region where there is a higher resistance, or a zone of “non-conduction", or a defect or a foreign particle on the surface of the superconductive material.
  • the zone sees its temperature increasing and tending towards a zone of conductivity "not above", which then extends until all of the energy stored in the cavity is dissipated in the hot region.
  • the power density generated by the currents in the LONDON layer is proportional to the square of the local magnetic field B s .
  • the value of the local magnetic field B (s), along the meridian, has a maximum value obtained at the equator (area of larger diameter). From the equator, and in the direction of the iris, B s decays slowly, then more quickly when going from the equator to the iris.
  • a defect will therefore not have the same harmfulness if it is located at the equator, or if it is located very far from the equator, towards the iris.
  • the area of the equator is particularly sensitive from the point of view of superconductivity defects since the eddy currents induced at the level of normal electrons, in internal skin, will be greater in this area due to the high value of the field. magnetic.
  • the "harmfulness" of a defect is not identical according to its geographical location in the cavity. All other things being equal, located near the equator, in an area where the magnetic field is maximum, it will tend to be more harmful to the "quench” than if it is located in the vicinity iris.
  • a surface defect, or very close to the surface, in the vicinity of the iris will be more sensitive to the electric field and will be likely to emit electrons according to the law of Fowler-Nordheim, or even possibly (according to the law of Richardson) simply by thermionic effect.
  • the impurities are localized at the level of the weld pool, and therefore, in the case of the process used today, at the lower end of the weld bead, on the empty side of the structure.
  • the current process consists in carrying out a welding at the level of the equator and that one saw above that it is the zone where reigns the strongest magnetic field, one has by this process all the chances to create a hot spot in this region.
  • niobium is hungry for oxygen, a very good vacuum is required in the enclosure, when the electron beam welds are carried out. Studies have shown that, during the welding process, the molten metal bath absorbs oxygen from the enclosure and therefore locally creates an area where the purity of niobium is degraded.
  • the current structures use a large number of welds, and these zones are particularly critical, especially those located at the level of the equators.
  • the welding techniques practiced tend to concentrate inwards (where the LONDON layer is located) the impurities which increase, among other things, the residual resistance.
  • RRR residual Resistance Ratio
  • niobium even if high purity niobium is used, it should be noted that the thermal conductivity of this material is not very good compared, for example, to that of copper or aluminum .
  • the heat flow created by a hot spot cannot be absorbed in the thickness of niobium, it should be noted that the interfacial resistance niobium / liquid helium is not negligible.
  • JP-0 2220399 and JP-0 2220400 Patent Abstracts of Japan, EPO propose a particular technique for producing niobium superconductive cavities, the walls of which are covered with a metal which is a good thermal conductor by means of a process of application by plasma projection. Thanks to this technique, it is possible to produce a superconductive cavity, comprising a sheet or tube of superconductive material, having the appropriate shape and having improved thermal properties.
  • the rigidity of a cavity with a multi-cell structure can be increased by welding stiffeners in the form of rings ( Figure 2B).
  • An object of the present invention is to provide an accelerator cavity and a method of manufacturing such a cavity making it possible to solve the problems set out above.
  • An object is in particular to propose such an accelerator cavity having excellent thermal properties and mechanical rigidity and which is of a particularly low production cost.
  • the rigidity of the cavity can certainly be increased by applying a layer of metal projected by thicker plasma.
  • a layer of metal projected by thicker plasma the production of a thick metal layer, in addition to the cost which it represents, proves to be complex and time-consuming, taking into account the conditions of plasma projection.
  • the invention more specifically relates to a cavity of multiple-cell particle accelerator in strings, the cells having a region of larger diameter, called the equator region, and end regions of smaller diameter called iris which connect the cells, the cells being delimited by a wall of a material having superconductive properties, which is covered with at least one layer of thermal conductive material, characterized in that the layer of thermal conductive material has a greater thickness in the iris regions than in the region d equator of cells.
  • thermal conductive material in the equator regions is not detrimental to rigidity.
  • a smaller quantity of thermal conductive material can be used and the application time of this material can be reduced.
  • the manufacturing costs of the cavity are thereby reduced.
  • the thickness of the layer of superconductive material can also be reduced. This further contributes to lower costs.
  • a cavity according to the invention can be used in particular for electron or proton accelerators.
  • the thermal conductive material can be formed by plasma spraying.
  • Plasma projection makes it possible to obtain a porous structure providing an interface whose total developed surface may be greater than that obtained in the prior art.
  • This increase in the exchange surface makes it possible to improve the heat exchanges between the liquid helium and the possible source of heat which could develop locally.
  • the increase in the exchange surface between materials makes it possible to reduce the Kapitza resistance, or interfacial thermal resistance, which is one of the physical properties which determine the thermal performances of the superconductive structure.
  • the plasma spray coating process allows, depending on the size of the constituent particles of the powders, and according to the settings of the plasma torch, to obtain porous layers whose porosity can be adjusted.
  • the exchange surface can be further increased by advantageously spraying a thin layer of niobium on the external face of the structure, before spraying copper or the second material stiffening the structure.
  • the layer of thermal conductive material can be covered with a layer of a material having a lower acoustic impedance than that of the thermal conductive material.
  • the shape of the cells allows it (i.e. if the ratio between the diameter at the equator and the diameter of the iris is not too high), we can form the cavity from a seamless tube which is deformed by a known process such as hydroforming, swaging, hot forming, explosion forming, magnetoforming, ...
  • a known process such as hydroforming, swaging, hot forming, explosion forming, magnetoforming, ...
  • the structure is stiffened by externally spraying powder, for example copper, onto the external surface. It is also possible to use tungsten or any other material having good thermal characteristics.
  • the assembly is rigidified externally by projection of the thermal conductive material by plasma as described above.
  • thermal conductive material is understood to mean a material having good thermal characteristics making it possible to evacuate a "quench". Copper or tungsten are good candidates, for example.
  • the invention also relates to a method of producing an accelerator cavity comprising a plurality of cells with regions of equator of larger diameter and regions of iris of smaller diameter, and delimited by a wall in a material having superconductive properties, in which a layer of thermal conductive material is formed on the surface of said wall by plasma spraying. According to the invention, the thermal conductive material is projected so as to form a thicker layer in the iris regions than in the equator regions.
  • FIG. 3 shows a plasma projection process of a material for the production of a cavity according to the invention.
  • FIG. 4 shows a niobium cavity structure with offset welds relative to one equator.
  • FIG. 5 shows a cavity structure according to the invention, with coating of variable thickness.
  • a method of producing a cavity uses an element, for example a sheet or a thin tube, of a superconductive material, for example of niobium, of thickness less than or equal to 1 mm (for example: 0.5 mm, or a few tenths of a mm) which one seeks to stiffen by an external coating.
  • a plasma projection is carried out on the external surface of the element made of superconductive material.
  • the powder spraying processes by plasma technique are for example described in the article by M. DUCOS entitled “Coating by thermal spraying” published in Technical Engineering, volume M5, 1645, pages 1-23.
  • the structure obtained therefore comprises the chosen element, for example a sheet, or a tube, covered with a material which has been sprayed by plasma and which has the characteristics described in the article by M. DUCOS cited above (see in particular ⁇ 2.2 of this document).
  • the coating has a certain porosity. This is particularly the case for a copper or tungsten coating deposited on a sheet or thin tube of niobium. This porosity allows, in the case of an application to a superconductive cavity, more efficient cooling. Indeed, the cavity is immersed in a bath of liquid helium and this, because of its properties, can easily enter the porosities of the deposited material. This results in more efficient cooling of the structure.
  • FIG. 3 represents a thin corrugated niobium structure 30, on which a plasma spray coating is carried out using a torch, or a pistol, 32.
  • a plasma torch, or plasma pistol, is described in l article by M. DUCOS already cited above.
  • the cells each have an equator region 46 of larger diameter and iris regions 44 of smaller diameter.
  • the iris 44 regions connect the cells together.
  • the welds 34, 36, 38, 40 are not produced at the level of the equator regions, but are offset on either side of the equator. According to the invention, the structure of Figure 4 is then intended to be coated with an outer coating by plasma spraying, as described above.
  • the sprayed material can be copper, or tungsten, or a mixture of powders or materials making it possible to produce a porous thermal layer. It is also possible, for example, to produce a Cu-Al progressive layer, in the case of a deposit made on niobium: the copper is then deposited in contact with the niobium, with which it has good acoustic impedance, then, at as we move away from niobium, we get closer to a pure aluminum composition, aluminum having an acoustic impedance close to that of helium. The assembly then presents an evolving acoustic impedance regularly, from that of niobium to that of liquid helium in which the cavity is immersed.
  • the thickness of the layer (s) can vary continuously between the values Li and L 2 .
  • Lx and L 2 are adapted to the dimensions of the cavity. As an example, values such as 1 mm ⁇ L ⁇ ⁇ L 2 ⁇ 5 mm can be indicated.
  • the structure according to the invention makes it possible to obtain a stiffening, that is to say a mechanical reinforcement, of a superconductive structure.
  • a stiffening that is to say a mechanical reinforcement
  • the accelerator then comprises a tube having undulations, having the shape shown in FIG. 1A or 1B, this tube made of superconductive material being reinforced by a layer of material deposited by plasma, as described above.
  • the accelerator further comprises means for introduce a radio frequency wave (a klystron), a container of liquid helium, and the appropriate means to generate an accelerating electric field.
  • the invention also makes it possible to improve the thermal properties of the superconductive material.
  • the physical properties which determine the thermal performance of the superconducting element and, therefore, in the case of cavities for accelerators, of the thickness constituting the structure of the cavities, in terms of available enthalpy reserve and access to the cold source, are:
  • interfacial thermal resistance between two materials depends on the thermal coupling linked to the acoustic phonons in the media located on both sides. other of the interface.
  • the thermal coupling is all the less good as there is acoustic mismatch between the two media.
  • the heat flux linked to the phonons it can be shown that this depends, at an interface, on the exchange surface between the two interfaces.
  • the coating structure according to the invention which makes it possible to produce a porous coating, therefore having a large exchange surface, therefore makes it possible to improve the heat exchanges between the element made of superconductive material, for example the tube, or the sheet metal, niobium, and its outer coating.
  • the efficient flow of heat makes it possible to ensure thermally stable operation of the cavity, without appreciable degradation of the HF characteristics, of the accelerating electric fields E acc and of the quality factor Q.
  • a material which improves the resistance of Kapitza moreover preferably exhibits good thermal conductivity. This is the case with aluminum, but this is not the case with epoxy resins.

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Abstract

L'invention a pour objet un procédé de réalisation d'une structure rigidifiée, comportant au moins un élément ayant des propriétés supraconductrices, et des moyens de rigidification, ce procédé comportant une étape de dépôt par projection plasma d'une couche de matériau sur une surface dudit élément.

Description

MATERIAU SUPRACONDUCTEUR RENFORCE, CAVITE SUPRACONDUCTRICE, ET PROCEDES DE REALISATION
Domaine technique L'invention concerne la réalisation de structures associant un matériau supraconducteur avec un matériau de renfort mécanique, possédant de bonnes caractéristiques thermiques. Un exemple d'une telle structure est celui de tôles, ou de tubes minces, de niobiur. associé (e) s à une couche de rigidification, par exemple en cuivre ou en tungstène.
De telles structures présentent des applications dans le domaine des accélérateurs de particules .
Art antérieur
La figure 1A représente une structure accélératrice d'un accélérateur d'électrons. Une telle structure se présente sous la forme de cellules de cavité successives 2-1, .... 2-9. Les particules y sont accélérées par une onde radiofréquence générée par un klystron. La longueur L est de 1039 mm pour une fréquence de 1,3 GHz.
La figure 1B représente une structure accélératrice de protons. Des cellules 2-10, ..., 2-13 en niobium sont plongées dans un bain 3 d'hélium liquide. Une telle structure a un diamètre D de 1,1 m pour une fréquence de 700 MHz.
La forme et les dimensions de ces cavités sont optimisées en fonction d'un grand nombre de paramètres liés aux performances RF, courants d'obscurité, champ de sillage, etc. La résolution des équations de Maxwell associées aux conditions aux limites sur les parois permet de définir les valeurs spatiales et temporelles pour les champs électriques et magnétiques dans une telle structure.
Ces champs électriques et magnétiques contribuent aux effets accélérateurs sur les particules du faisceau, mais aussi aux effets secondaires, notamment à 1 ' échauffement des matériaux et des structures, aux courants d'obscurité, etc..
En particulier, un courant j induit dans les parois de la cavité conduit à une perte de puissance haute fréquence.
On distingue aujourd'hui deux types d'accélérateurs : les accélérateurs dits "chauds" réalisés avec des cavités en cuivre, et les accélérateurs "supraconducteurs" utilisant des cavités en matériau supraconducteur tel que le niobium, que l'on refroidit en-dessous de sa température critique Tc pour le rendre supraconducteur. La température critique Tc pour le niobium est de 9,3K, ce qui implique de refroidir la structure dans un bain d'hélium liquide (à la pression atmosphérique l'hélium est liquide à 4K) .
Dans le premier cas, pour les accélérateurs chauds, une grande partie de la puissance électrique fournie par le réseau sert à chauffer l'eau de refroidissement des structures en cuivre. Dans le cas d'un accélérateur supraconducteur, la plus grande partie de la puissance électrique sert à accélérer le faisceau de particules, ce qui permet de comprendre tout l'intérêt de la supraconductivité en terme de consommation d'électricité. Néanmoins, une partie faible (mais non nulle) de l'énergie HF est dissipée dans une fine couche de matière supraconductrice appelée couche de LONDON. L'épaisseur typique de la couche de LONDON est d'environ 100 nm et ne dépend pas de la fréquence, comme c'est le cas pour les courants induits dans un conducteur normal. Cette énergie dissipée permet d'expliquer les variations de la courbe caractéristique d'une cavité supraconductrice Q(Eacc), ou facteur de qualité, en fonction du champ accélérateur. Comme l'énergie dissipée augmente avec le champ accélérateur, la courbe caractéristique suit une pente descendante en fonction du champ. La théorie BCS élaborée par Bardeen, Cooper et
Schrieffer en 1957 sur la supraconductivité permet de prévoir la résistance correspondante (dite résistance BCS) et les pertes par effet Joule, qui dépendent de la fréquence et de la température. A cette résistance RBcs, il convient d'ajouter une résistance résiduelle liée aux défauts de structures, aux atomes interstitiels d'impuretés, aux gaz inclus ...
On peut donc, dans une structure de cavités supraconductrices, considérer que l'épaisseur de matériau supraconducteur (par exemple, de niobium) , constituant la cavité supraconductrice, joue plusieurs rôles :
1- Le rôle de couche supraconductrice en peau interne, du côté vide de la cavité.
2- Le rôle de dissipateur thermique, pour le reste de l'épaisseur, permettant aux calories, engendrées par les résistance BCS et résiduelles dans la couche de LONDON, de s'écouler vers le bain d'hélium. 3- Le rôle de structure mécanique permettant de conserver la forme interne fixant les conditions aux limites au champ électromagnétique qui est créé dans la structure du tube et dans les cavités accélératrices
L'optimisation évoquée plus haut permet d'aboutir à des compromis permettant en général d'optimiser les formes et les caractéristiques RF (ou HF) mais laisse ouvertes les questions de la stabilité mécanique et des propriétés thermiques de telles structures. Lors du fonctionnement d'une machine accélératrice, les conditions mécaniques et géométriques doivent rester stables afin de maintenir la structure des cavités accordée sur la fréquence du klystron. Diverses causes peuvent contrecarrer cette stabilité de fonctionnement : forces de Lorentz créant une pression dans les cellules et tendant à les déformer, vibrations mécaniques induites par l'extérieur, et notamment induites par les variations de pression du bain d'hélium liquide, etc. Lors des régimes transitoires, lorsque l'on introduit l'onde HF dans les cavités, la structure est soumise aux forces de Lorentz qui ont tendance à la déformer et à la désaccorder. Pour éviter ceci, on est amené à réaliser des structures rigides. Un exemple d'une telle structure rigidifiée est illustré sur la figure 2A. Un tube ondulé 4 est réalisé avec une forte épaisseur de matériau supraconducteur, en général du niobium, ce qui est coûteux. En fait, le tube est un assemblage de parties élémentaires 5, 7, 9, 11 assemblées par des soudures 6, 8, 10.
L'utilisation de niobium épais conduit à utiliser une grande quantité de matériau très cher
(entre 1500 francs et 5000 francs le kilo) , procédé peu envisageable pour des machines mettant en oeuvre un grand nombre de cavités.
Une autre structure connue, représentée schématiquement en figure 2B, consiste à réaliser des parties de cavité en matériau 12 d'épaisseur moyenne, à les souder entre elles par des cordons de soudure 16 et à les renforcer par un anneau 14 à la hauteur des iris (régions ou zones de diamètre le plus faible) . Par conséquent, pour contrecarrer l'effet des forces de Lorentz, l'utilisation de niobium moins épais oblige à souder des raidisseurs 14, compliquant le processus de fabrication et rendant difficile la maîtrise des dimensions du fait des rétreints après soudures. De plus, une telle technique permet difficilement d'obtenir des dimensions reproductibles.
Une autre technique (figure 2C) consiste à déposer une fine couche 22 de niobium sur un substrat 20 en cuivre de forte épaisseur. Ce procédé permet de résoudre le problème de rigidification de la structure. Mais, la structure obtenue possède des limitations en termes de champ accélérateur qu'il est possible d'atteindre. En effet, pour des raisons liées à la structure de la couche supraconductrice en niobium déposée par "sputtering" sur le substrat en cuivre, les champs électriques maximums susceptibles d'être atteints restent de l'ordre de 10 MV/m. Pour d'autres machines, et en particulier les collisionneurs e+-e", ce champ est nettement insuffisant.
Outre les problèmes mécaniques, se posent également des problèmes thermiques. Les conditions thermiques doivent être maintenues de façon à ce que le niobium reste, en peau interne, en-dessous de la température critique Tc et en-dessous du champ critique Hc. Pour que les conditions thermiques soient maintenues et que le niobium reste supraconducteur dans l'épaisseur de LONDON, il est nécessaire qu'en cas de point chaud sur la surface interne, côté vide de l'accélérateur, les calories puissent s'évacuer rapidement vers le bain d'hélium.
Plusieurs raisons peuvent amener à la création d'un point chaud : 1) - Les pertes HF par effet Joule, dues à la résistance de surface globale et homogène uniformément distribuée et décrite par la théorie BCS et par la résistance résiduelle. Une théorie plus complète faisant intervenir des pertes non quadratiques, présentée par W. Weingarten ("Progress in thin film techniques", CERN-European Laboratory for Particle Physics, Geneva, Switzerland, 7th Workshop on RF superconductivity, Paris, 1995), montre que l'on peut exprimer les pertes supra par la formule suivante, donnant la résistance supraconductrice (mesurée en nΩ/mT) :
Rs(Bp,ω, T,Bext)
Figure imgf000008_0001
+Rs(ω, T, Bext). Bp+...
Le premier terme décrit les pertes BCS, le second les pertes dues à la résistance résiduelle et le troisième les pertes non quadratiques.
Les pertes correspondant aux deuxième et troisième termes s'expliquent par les inclusions métalliques non supraconductrices telles que le tantale qui, après les processus métallurgiques d'élaboration du niobium, sont encore présentes dans la matrice de niobium, mais également par les impuretés (oxygène, carbone, ...) dissoutes.
2) - Les pertes HF dues à l'émission de champ et, éventuellement, aussi dues à des émissions d'électrons par effet thermoïonique. Au-delà d'un certain champ de surface, des électrons sont, d'après la théorie de Fowler-Nordheim, extraits de la surface. Ils peuvent alors être accélérés par les champs électromagnétiques qui régnent dans la structure. Ces électrons, émis par effet de champ et accélérés par l'onde électromagnétique, peuvent ensuite entrer en collision avec la structure des cavités, à un autre endroit, et dissipent leur énergie cinétique sous forme de chaleur. 3) - Les pertes HF diélectriques, au niveau des poussières et contaminants de nature diélectrique qui auraient été laissés à l'intérieur des cavités lors du processus de fabrication.
Pour minimiser ces sources de "points chauds", il faut donc mettre en oeuvre du niobium extrêmement pur, travailler à température basse, obtenir des états de surface sans aspérités, et éviter tout dépôt de poussières côté HF.
De plus, si on veut travailler à champ accélérateur élevé, et donc en conséquence à fort champ magnétique également au niveau de l'equateur, on ne peut éviter la création de chaleur. Comme l'a montré Padamsee dans "calculations for breakdown induced by large defects in supraconductive niobium activities", paru dans IEEE Translations on Magnetics, vol. 19, 1983, même en l'absence de défauts, si l'on atteint localement le champ critique Hc, le matériau passe de l'état supraconducteur à l'état normal. En deçà de cette limite, cette chaleur ainsi produite au niveau de la paroi interne de la cavité doit être évacuée, le plus efficacement possible, vers le bain d'hélium, de manière à limiter la montée en température de la paroi interne de la cavité.
Si la rapidité d'accès à la source froide est insuffisante, une perturbation thermique localisée peut s'étendre et conduire à terme à un emballement de la cavité, appelé "quench" dans le jargon anglo-saxon (transition de la paroi HF de l'état supraconducteur à l'état normal résistif).
Ainsi un "quench" ou "thermal breakdown" démarre généralement dans une région où existe une plus forte résistance, ou une zone de "non conduction", ou un défaut ou une particule étrangère en surface du matériau supraconducteur.
Si, localement, au niveau d'un défaut, se crée plus de chaleur que celle qui peut s'écouler en direction du bain d'hélium, la zone voit sa température augmenter et tendre vers une zone de conductibilité "non supra", qui s'étend ensuite jusqu'à ce que la totalité de l'énergie emmagasinée dans la cavité soit dissipée dans la région chaude.
On comprend ainsi que l'on cherche à obtenir une grande conductibilité thermique de la paroi de la cavité pour éviter ce phénomène de "thermal breakdown", y compris à de faibles valeurs de champs accélérateurs. Par ailleurs, la densité de puissance générée par les courants dans la couche de LONDON est proportionnelle au carré du champ magnétique local Bs. Or, la valeur du champ magnétique local B(s), le long du méridien, présente une valeur maximale obtenue à l'equateur (zone de plus grand diamètre). A partir de l'equateur, et en direction de l'iris, Bs s'atténue lentement, puis plus rapidement lorsque l'on passe de l'equateur à l'iris.
Un défaut n'aura donc pas la même nocivité s'il est situé à l'equateur, ou s'il est situé très loin de l'equateur, vers l'iris. De plus, la zone de l'equateur est particulièrement sensible au point de vue des défauts de supraconductivité puisque les courants de Foucault induits au niveau des électrons normaux, en peau interne, seront dans cette zone plus importants du fait de la forte valeur du champ magnétique.
Par conséquent, la "nocivité" d'un défaut n'est pas identique selon sa localisation géographique dans la cavité. Toutes choses égales par ailleurs, situé à proximité de l'equateur, dans une zone où le champ magnétique est maximal, il aura tendance à présenter une plus grande nocivité vis-à-vis du "quench" que s'il est situé au voisinage de l'iris.
Par contre un défaut de surface, ou très proche de la surface, au voisinage de l'iris sera plus sensible au champ électrique et sera susceptible d'émettre des électrons selon la loi de Fowler- Nordheim, ou même éventuellement (selon la loi de Richardson) tout simplement par effet thermoïonique. Lorsqu'on réalise des cavités supraconductrices suivant le procédé actuel, mettant en oeuvre des tôles de niobium que l'on emboutit et que l'on soude par faisceau d'électrons par l'extérieur, des défauts sont introduits. Les impuretés se localisent au niveau du bain de fusion, et donc, dans le cas du procédé utilisé aujourd'hui, à l'extrémité inférieure du cordon de soudure, côté vide de la structure. Comme, de plus, le procédé actuel consiste à réaliser une soudure au niveau de l'equateur et que l'on a vu plus haut que c'est la zone où règne le plus fort champ magnétique, on a par ce procédé toutes les chances de créer un point chaud dans cette région.
Par ailleurs, le niobium étant avide d'oxygène, il faut un très bon vide dans l'enceinte, lorsque l'on effectue les soudures par faisceau d'électrons. Des études ont montré que, durant le processus de soudage, le bain de métal en fusion absorbait l'oxygène de l'enceinte et créait donc localement une zone où la pureté du niobium était dégradée.
Toutes ces considérations montrent les difficultés à surmonter pour réaliser sur le plan industriel, de manière fiable et avec des résultats reproductibles, un objet comportant autant de soudures "mal placées" (du point de vue des défauts "supra") que celles représentées sur les figures 2A ou 2B. Il est par ailleurs difficile de réaliser des conditions de vide reproductibles à des niveaux aussi faibles que 10"9torr lorsque l'on réalise des soudures par faisceau d' électrons .
Les structures actuelles, du type de celles illustrées sur les figures 2A et 2B, mettent en oeuvre un grand nombre de soudures, et ces zones sont particulièrement critiques, surtout celles situées au niveau des équateurs.
De plus, les techniques de soudure pratiquées, ont tendance à concentrer vers l'intérieur (là où est localisée la couche de LONDON) les impuretés qui augmentent, entre autres, la résistance résiduelle.
Pour faire face au phénomène de "quench", ou emballement thermique de la cavité, suite à l'apparition d'un point chaud, les structures connues nécessitent d'utiliser des matériaux de grande pureté présentant une conductibilité thermique élevée (correspondant à un RRR au moins supérieur à 200) , c'est-à-dire des matériaux dont le coût de purification vient s'ajouter au coût habituel des matériaux industriels standards (Le RRR, ou encore "Residual Résistance Ratio", est une mesure de la pureté du matériau, faisant intervenir les défauts de structure et les impuretés microscopiques ou macroscopiques. Il est aussi défini par le rapport entre la résistivité électrique à froid et la résistivité à température ambiante) .
Mais, dans le cas du niobium, même si l'on utilise du niobium de grande pureté, il faut noter que la conductibilité thermique de ce matériau n'est pas très bonne comparée, par exemple, à celle du cuivre ou de l'aluminium. De plus, dans le cas où le flux de chaleur créé par un point chaud ne peut être absorbé dans l'épaisseur de niobium, il faut noter que la résistance interfaciale niobium/hélium liquide n'est pas négligeable.
Ainsi, les structures et procédés décrits ci- dessus ne permettent pas d'atteindre à la fois la stabilité mécanique et les conditions thermiques voulues, en particulier pour des champs accélérateurs élevés.
Les documents JP-0 2220399 et JP-0 2220400 (Patent Abstracts of Japan, OEB) proposent une technique de réalisation particulière de cavités supraconductrices en niobium dont les parois sont recouvertes d'un métal bon conducteur thermique au moyen d'un procédé d'application par projection plasma. Grâce à cette technique on peut réaliser une cavité supraconductrice, comportant une tôle ou un tube en matériau supraconducteur, ayant la forme appropriée et présentant des propriétés thermiques améliorées.
Il demeure cependant le problème de la rigidité des cellules et de la cavité.
Comme évoqué précédemment, la rigidité d'une cavité avec une structure à cellules multiples peut être augmentée en soudant des raidisseurs sous la forme d'anneaux (figure 2B) .
Outre les problèmes déjà évoqués des contraintes mécaniques dues aux rétreints des soudures, il apparaît que la présence des anneaux est peu compatible avec la technique de projection plasma.
Exposé de l'invention
Un but de la présente invention est de proposer une cavité d'accélérateur et un procédé de fabrication d'une telle cavité permettant de résoudre les problèmes exposés ci-dessus.
Un but est en particulier de proposer une telle cavité d'accélérateur présentant d'excellentes propriétés thermiques et de rigidité mécanique et qui soit d'un coût de réalisation particulièrement faible.
La rigidité de la cavité peut certes être augmentée en appliquant une couche de métal projetée par plasma plus épaisse. Cependant, la réalisation d'une couche de métal épaisse, outre le coût qu'elle représente s'avère être complexe et longue, compte tenu des conditions de projection plasma.
Ainsi, pour atteindre les buts ci-dessus l'invention a plus précisément pour objet une cavité d'accélérateur de particules à cellules multiples en chapelet, les cellules présentant une région de plus fort diamètre, appelée région d'équateur et des régions d'extrémité de plus faible diamètre appelées iris qui relient entre elles les cellules, les cellules étant délimitées par une paroi en un matériau ayant des propriétés supraconductrices, qui est recouverte d'au moins une couche de matériau conducteur thermique, caractérisée en ce que la couche de matériau conducteur thermique présente une épaisseur plus forte dans les régions d'iris que dans la région d'équateur des cellules.
On constate qu'en augmentant simplement l'épaisseur de la couche de matériau conducteur thermique dans les régions d'iris des cellules, il est possible d'augmenter de façon importante la rigidité mécanique de la cavité. Le caractère non constant de l'épaisseur permet en effet de contrecarrer efficacement les forces de Lorentz qui agissent sur la paroi. Ainsi, la mise en place d'anneaux ou d'autres renforts de rigidité devient superflue.
L'épaisseur plus faible de matériau conducteur thermique dans les régions d'équateur n'est pas préjudiciable à la rigidité. Une quantité de matériau conducteur thermique plus faible peut être mise en oeuvre et le temps d'application de ce matériau peut être réduit. Les coûts de fabrication de la cavité s'en trouvent diminués . De plus, dès lors qu'une meilleure rigidité de la cavité est obtenue, l'épaisseur de la couche de matériau supraconducteur peut également être réduite. Ceci contribue encore à une diminution des coûts. Une cavité conforme à l'invention peut être mise en oeuvre notamment pour des accélérateurs d'électrons ou de protons.
Comme indiqué précédemment, le matériau conducteur thermique peut être formé par projection plasma.
La projection plasma permet d'obtenir une structure poreuse réalisant une interface dont la surface totale développée peut être plus importante que celle obtenue dans l'art antérieur. Cet accroissement de la surface d'échange permet d'améliorer les échanges thermiques entre l'hélium liquide et la source éventuelle de chaleur qui pourrait se développer de manière locale. L'augmentation de la surface d'échange entre matériaux permet de réduire la résistance de Kapitza, ou résistance thermique interfaciale, qui est une des propriétés physiques qui déterminent les performances thermiques de la structure supraconductrice. Le procédé de revêtement par projection plasma permet, suivant la taille des particules constitutives des poudres, et suivant les réglages de la torche plasma, d'obtenir des couches poreuses dont on peut ajuster la porosité. En dehors de l'avantage thermique déjà explicité, une telle couche, tout en rigidifiant la structure, permet en outre d'amortir efficacement les vibrations de la peau corruguée du matériau supraconducteur . Dans le cas où le matériau supraconducteur est du niobium, on peut encore accroître la surface d'échange en projetant avantageusement sur la face externe de la structure une fine couche de niobium, avant de projeter le cuivre ou le second matériau rigidifiant la structure. De plus, pour faciliter les échanges thermiques, la couche de matériau conducteur thermique peut être recouverte d'une couche d'un matériau présentant une impédance acoustique plus faible que celle du matériau conducteur thermique.
On peut en effet améliorer la résistance de Kapitza entre le cuivre (ou le matériau déposé par plasma) et l'hélium liquide en projetant par exemple une couche d'aluminium réalisant l'adaptation acoustique entre deux éléments, l'un solide de forte impédance acoustique, l'autre liquide de faible impédance acoustique.
Dans le cas où la forme des cellules le permet (c'est-à-dire dans le cas où le rapport entre le diamètre à l'equateur et le diamètre de l'iris n'est pas trop élevé), on peut former la cavité à partir d'un tube sans soudure que l'on déforme par un procédé connu tel que 1 'hydroformage, le dudgeonnage, le formage à chaud, le formage par explosion, le magnétoformage, ... Une fois obtenu le tube avec ses ondulations, au lieu de souder un anneau extérieur, comme dans l'art antérieur (figure 2B) , on rigidifie la structure en projetant extérieurement de la poudre, par exemple de cuivre, sur la surface externe. On peut aussi utiliser du tungstène ou tout autre matériau possédant de bonnes caractéristiques thermiques.
Dans le cas où les dimensions des cavités sont telles que l'on ne peut pas mettre en oeuvre un procédé de déformation de tube sans soudure sans obtenir de déchirement de métal, on peut partir d'éléments de tôle mince emboutis que l'on raccorde par soudures réalisées par faisceau laser ou par faisceau d'électrons suivant les techniques connues. Du fait du risque important que présente une soudure au niveau de l'equateur, on peut avantageusement la déporter à un autre endroit.
Une fois obtenue la structure avec ses ondulations, constituant les cellules successives, on rigidifie extérieurement l'ensemble par projection du matériau conducteur thermique par plasma de la façon décrite ci-dessus.
On entend par matériau conducteur thermique un matériau possédant de bonnes caractéristiques thermiques permettant d'évacuer un "quench". Le cuivre ou le tungstène sont par exemple de bons candidats.
L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'une cavité d'accélérateur comprenant une pluralité de cellules avec des régions d'équateur de plus fort diamètre et des régions d'iris de plus faible diamètre, et délimitées par une paroi en un matériau présentant des propriétés supraconductrices, dans lequel on forme une couche de matériau conducteur thermique à la surface de ladite paroi par projection plasma. Conformément à invention, on projette le matériau conducteur thermique de façon à former une couche plus épaisse dans les régions d'iris que dans les régions d'équateur.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels : - Les figures 1A et 1B, déjà décrites, représentent des cavités supraconductrices connues, pour accélérateur d'électrons ou de protons.
- Les figures 2A à 2C, déjà décrites, représentent des structures supraconductrices connues, rigidifiées .
- La figure 3 représente un procédé de projection pas plasma d'un matériau pour la réalisation d'une cavité conforme à l'invention. - La figure 4 représente une structure de cavité en niobium avec soudures déportées par rapport à 1 ' équateur .
- La figure 5 représente une structure de cavité selon l'invention, avec revêtement d'épaisseur variable.
Exposé détaillé de modes de réalisation de l'invention
Un procédé de réalisation d'une cavité, conforme à l'invention, met en oeuvre un élément, par exemple une tôle ou un tube mince, en un matériau supraconducteur, par exemple en niobium, d'épaisseur inférieure ou égale à 1 mm (par exemple : 0,5 mm, ou quelques dixièmes de mm) que l'on cherche à rigidifier par un revêtement extérieur. En fait, on réalise une projection par plasma, sur la surface extérieure de l'élément en matériau supraconducteur. Les procédés de projection de poudre par technique plasma sont par exemple décrits dans l'article de M. DUCOS intitulé "Revêtement par projection thermique" paru dans Technique de l'Ingénieur, volume M5, 1645, pages 1-23. L'article de F. Brossa et al. Intitulé "Plasma Spraying, A Versatile Coating Technique" paru dans Advanced Techniques for Surface Engineering, W. Gisoler and H.A. Jehn, Editors, 1992, décrit également cette technique.
La structure obtenue comporte donc l'élément choisi, par exemple une tôle, ou un tube, recouvert d'un matériau qui a été projeté par plasma et qui présente les caractéristiques décrites dans l'article de M. DUCOS cité ci-dessus (voir en particulier §2.2 de ce document) . En particulier, le revêtement présente une certaine porosité. C'est le cas notamment pour un revêtement de cuivre ou de tungstène déposé sur une tôle ou un tube mince de niobium. Cette porosité permet, dans le cas d'une application à une cavité supraconductrice, un refroidissement plus efficace. En effet, la cavité est plongée dans un bain d'hélium liquide et celui-ci, du fait de ses propriétés, peut aisément entrer dans les porosités du matériau déposé. Il en résulte un refroidissement plus efficace de la structure .
Dans le cas où la forme de la cavité le permet, on peut la réaliser à partir d'un tube sans soudure que l'on déforme, par un procédé connu tel que par exemple 1 'hydroformage, ou 1 'hydroformage avec flambage. On peut aussi utiliser le formage à chaud ou le formage par explosion. La figure 3 représente une structure mince ondulée en niobium 30, sur laquelle on effectue un revêtement par projection plasma à l'aide d'une torche, ou d'un pistolet, 32. Une torche plasma, ou pistolet plasma, est décrite dans l'article de M. DUCOS déjà cité ci-dessus. On peut utiliser par exemple un matériel du type "Sulzer-Metco" .
On peut observer sur la figure 3 que la cavité définie par la paroi en niobium présente une succession de cellules en chapelet avec une symétrie de révolution.
Les cellules présentent chacune une région d'équateur 46 de plus grand diamètre et des régions d'iris 44 de plus faible diamètre.
Les régions d'iris 44 relient entre elles les cellules.
Dans le cas où les dimensions des cavités sont telles que l'on ne peut pas mettre en oeuvre un procédé de déformation de tube sans soudure, sous peine d'obtenir un déchirement du métal, on partira plutôt de tôles minces embouties que l'on raccordera par soudures réalisées par faisceau laser ou par faisceau d'électrons suivant les techniques connues. Avantageusement, comme illustré sur la figure 4, les soudures 34, 36, 38, 40 ne sont pas réalisées au niveau des régions d'équateur, mais sont déportées de part et d'autre de l'equateur. Conformément à l'invention, la structure de la figure 4 est destinée ensuite à être revêtue d'un revêtement extérieur par projection plasma, comme décrit ci-dessus.
Le matériau projeté peut être du cuivre, ou du tungstène, ou un mélange de poudres ou de matériaux permettant de réaliser une couche thermique poreuse. On peut aussi, par exemple, réaliser une couche progressive Cu-Al, dans le cas d'un dépôt réalisé sur du niobium : le cuivre est alors déposé en contact avec le niobium, avec lequel il présente une bonne impédance acoustique, puis, au fur et à mesure que l'on s'éloigne du niobium, on se rapproche d'une composition en aluminium pur, l'aluminium présentant une impédance acoustique proche de celle de l'hélium. L'ensemble présente alors une impédance acoustique évoluant régulièrement, depuis celle du niobium jusqu'à celle de l'hélium liquide dans lequel la cavité est plongée.
On peut aussi, en variante, réaliser un premier dépôt de cuivre, puis y projeter une couche d'aluminium réalisant l'adaptation acoustique entre la couche de cuivre et l'hélium.
Conformément à l'invention on dépose localement des couches plus importantes. Comme illustré sur la figure 5, on peut par exemple déposer, au voisinage de l'iris 44 d'une structure corruguée, une couche conductrice thermique 45 plus importante qu'au niveau de l'equateur 46 de cette même structure. Si L2 désigne l'épaisseur de la couche au niveau de l'iris et L_ l'épaisseur de la couche au niveau de l'equateur, on a : L2>Lι, par exemple L2=2Lι.
Com e le montre la figure, l'épaisseur de la (ou des) couche (s) peut varier continûment entre les valeurs Li et L2.
Les valeurs numériques de Lx et L2 sont adaptées aux dimensions de la cavité. On peut indiquer à titre d'exemple des valeurs telles que 1 mm<Lι<L2<5 mm.
La structure selon l'invention permet d'obtenir une rigidification, c'est-à-dire un renfort mécanique, d'une structure supraconductrice. En particulier, dans le cas d'une cavité pour accélérateur de particule, une bonne stabilité mécanique est obtenue vis-à-vis des forces de Lorentz. L'accélérateur comporte alors un tube présentant des ondulations, ayant la forme représentée sur la figure 1A ou 1B, ce tube en matériau supraconducteur étant renforcé par une couche de matériau déposé par plasma, comme décrit ci-dessus. L'accélérateur comporte en outre des moyens pour introduire une onde radiofréquence (un klystron) , un conteneur d'hélium liquide, et les moyens appropriés pour générer un champ électrique accélérateur.
L'invention permet également d'améliorer les propriétés thermiques du matériau supraconducteur. Les propriétés physiques qui déterminent les performances thermiques de l'élément supraconducteur et, donc, dans le cas de cavités pour accélérateurs, de l'épaisseur constitutive de la structure des cavités, en terme de réserve d'enthalpie disponible et d'accès à la source froide, sont :
- la conductivité thermique λ en W/ mK,
- la chaleur spécifique volumique pCv où p et Cv désignent respectivement la masse volumique et la chaleur spécifique à volume constant,
- la résistance thermique interfaciale entre matériaux, appelée aussi résistance de Kaptiza Rκ. Cette résistance traduit l'effet d'un saut de température, au niveau des interfaces, en présence d'un flux de chaleur. On peut aussi parler de conductibilité
1 interfaciale hκ (Rκ= — ) • hκ En ce qui concerne ce dernier paramètre hκ, on peut dire que la résistance thermique interfaciale entre deux matériaux dépend du couplage thermique lié aux phonons acoustiques dans les milieux situés de part et d'autre de l'interface. Le couplage thermique est d'autant moins bon qu'il y a désadaptation acoustique entre les deux milieux.
En ce qui concerne le flux de chaleur lié aux phonons, on peut montrer que celui-ci dépend, au niveau d'une interface, de la surface d'échange entre les deux interfaces. Plus la surface d'échange augmente, plus le flux de chaleur augmente. La structure de revêtement selon l'invention, qui permet de réaliser un revêtement poreux, donc présentant une surface d'échange importante, permet donc bien d'améliorer les échanges thermiques entre l'élément en matériau supraconducteur, par exemple le tube, ou la tôle, de niobium, et son revêtement extérieur. Dans le cas d'une cavité pour accélérateur, l'écoulement efficace de la chaleur permet d'assurer un fonctionnement thermiquement stable de la cavité, sans dégradation sensible des caractéristiques HF, des champs électriques accélérateurs Eacc et du facteur de qualité Q.
De même, on cherchera à avoir, du côté extérieur au revêtement, un matériau solide présentant une impédance acoustique faible, afin de diminuer la résistance interfaciale au niveau du bain d'hélium. C'est pour cette raison qu'un dépôt d'aluminium, ou d'un matériau de type époxy, peut avantageusement être réalisé par dessus un revêtement de cuivre ou de tungstène.
Un matériau qui améliore la résistance de Kapitza présente par ailleurs, de préférence, une bonne conductibilité thermique. C'est le cas de l'aluminium, mais ce n'est pas le cas des résines époxy.

Claims

REVENDICATIONS
1. Cavité d'accélérateur de particules à cellules multiples, dans lequel les cellules présentent une région de plus fort diamètre, appelée région d'équateur (46) et des régions d'extrémité de plus faible diamètre appelées régions d'iris (44) qui relient entre elles les cellules, les cellules étant délimitées par une paroi en un matériau ayant des propriétés supraconductrices qui est recouverte d'au moins une couche de matériau conducteur thermique, caractérisée en ce que la couche de matériau conducteur thermique présente une épaisseur plus forte dans les régions d'iris que dans les régions d'équateur des cellules.
2. Cavité selon la revendication 1, dans laquelle la couche de matériau conducteur thermique présente une épaisseur qui varie continûment entre une première valeur Li aux régions d'équateur et une deuxième valeur L2 aux régions d'iris, la première valeur Li étant inférieure à la deuxième valeur L2.
3. Cavité selon la revendication 2, dans laquelle : 1 mm<Lι<L2<5 mm.
4. Cavité selon la revendication 1, dans laquelle le matériau conducteur thermique présente une structure poreuse.
5. Cavité selon la revendication 1, dans laquelle le matériau conducteur thermique est choisi parmi le cuivre, le tungstène ou un alliage progressif cuivre-aluminium.
6. Cavité selon la revendication 1, dans laquelle la paroi est formée d'une pluralité d'éléments assemblés par soudure.
7. Cavité selon la revendication 1, dans laquelle la couche de matériau conducteur thermique est recouverte d'une couche d'un matériau présentant une impédance acoustique plus faible que celle du matériau conducteur thermique.
8. Cavité selon la revendication 1, dans lequel le matériau ayant des propriétés supraconductrices est du niobium (Nb) .
9. Procédé de réalisation d'une cavité d'accélérateur comprenant une pluralité de cellules ayant des régions d'équateur de plus fort diamètre et des régions d'iris de plus faible diamètre, et délimitées par une paroi en un matériau présentant des propriétés supraconductrices, dans lequel on forme une couche de matériau conducteur thermique à la surface de ladite paroi par projection plasma, caractérisé en ce que l'on projette le matériau conducteur thermique de façon à former une couche plus épaisse dans les régions d'iris que dans les régions d'équateur.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel on forme un matériau conducteur thermique poreux.
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