[論文レビュー] Nanostructural features affecting superconducting radio frequency niobium cavities revealed using TEM and EELS

Yulia Trenikhina, J. F. Zasadzinski+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、磁気浸透深度の約100 nm圏内に存在するナノスケールのニオブium水素化物が、超伝導ラジオ周波数（SRF）キャビティの性能を制限していることが明らかになった。RF試験中のイン・サイト温度測定およびキャビティ壁試料のTEM/EELS分析を通じて、120°Cの焼鈍処理により水素化物の生成が減少することが示された。一方、800°Cでの水素脱気処理に続く軽いバッファー化学研磨により、水素化物は焼鈍前のレベルまで回復した。焼鈍後には晶界にニオブium酸化物は検出されず、表面酸化被膜の構造的変化も観察された。

ABSTRACT

Nanoscale defect structure within the magnetic penetration depth of ~100nm is key to the performance limitations of niobium superconducting radio frequency (SRF) cavities. Using a unique combination of advanced thermometry during cavity RF measurements, and TEM structural and compositional characterization of the samples extracted from cavity walls, we discover the existence of nanoscale hydrides in electropolished cavities limited by the high field Q slope, and show the decreased hydride formation in the electropolished cavity after 120C baking. Furthermore, we demonstrate that adding 800C hydrogen degassing followed by light buffered chemical polishing restores the hydride formation to the pre-120C bake level. We also show absence of niobium oxides along the grain boundaries and the modifications of the surface oxide upon 120C bake.

研究の動機と目的

• 磁気浸透深度内に存在するナノスケールの欠际構造が、ニオブium超伝導ラジオ周波数（SRF）キャビティの性能を制限するメカニズムを特定すること。
• 電気化学的研磨処理を施したSRFキャビティにおける高磁場Q勾配の劣化に寄与する水素化物の役割を調査すること。
• 120°Cの焼鈍処理および800°Cでの水素脱気処理という熱処理の効果が、水素化物形成および表面酸化被膜構造に与える影響を評価すること。
• 晶界にニオブium酸化物が存在し、SRFキャビティの性能制限要因となっているかどうかを特定すること。

提案手法

• RF測定中にキャビティの温度上昇をイン・サイトで測定し、局所的な磁場放出および欠际活動と相関づけるために、SRFキャビティのRF測定中にイン・サイト温度測定を実施した。
• RF試験後にキャビティ壁から試料を採取し、ナノスケールの微細構造を分析するために透過型電子顕微鏡（TEM）を用いた。
• 電子エネルギー損失分光法（EELS）を用いて元素組成および化学状態を特定し、特に水素化物および酸化物の同定を実施した。
• 電気化学的研磨処理を施したキャビティについて、120°C焼鈍処理前後および800°Cでの水素脱気処理に続く軽いバッファー化学研磨処理後の水素化物密度および分布を比較分析した。
• 表面酸化被膜構造および晶界成分を分析し、ニオブium酸化物の存在および熱処理による変化の有無を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニオブium SRFキャビティの磁気浸透深度内に存在するナノスケールの欠际構造は何か。また、それらは性能にどのように影響を与えるか。
• RQ2 120°Cの焼鈍処理は、電気化学的研磨処理を施したキャビティにおけるニオブium水素化物の生成をどの程度低減するか。
• RQ3 800°Cでの水素脱気処理に続く軽いバッファー化学研磨により、水素化物の生成が120°C焼鈍前のレベルまで回復するか。
• RQ4 電気化学的研磨処理を施したSRFキャビティの晶界にニオブium酸化物が存在するか。また、熱処理後にはその状態がどのように変化するか。

主な発見

• 磁気浸透深度の約100 nm圏内に位置するナノスケールのニオブium水素化物が、電気化学的研磨処理を施したSRFキャビティにおける高磁場Q勾配劣化の主な要因であると特定された。
• 120°Cの焼鈍処理により、電気化学的研磨処理を施したキャビティにおけるこれらのナノスケール水素化物の生成が顕著に低減された。
• 800°Cでの水素脱気処理に続く軽いバッファー化学研磨処理により、水素化物の生成は120°C焼鈍前のレベルまで回復した。
• キャビティ壁試料の晶界にニオブium酸化物は検出されず、性能制限要因としての寄与は顕著でないことが示された。
• 120°C焼鈍処理後に表面酸化被膜に構造的変化が観察されたことから、酸化被膜のストイキオメトリーや厚さの変化が表面抵抗に影響を与える可能性があると示唆された。