[論文レビュー] Sensitivity of Niobium Superconducting Cavities to Trapped Magnetic Flux Dissipation

D. Gonnella, Kaufman, John+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2015

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 11被引用数 21

ひとこと要約

本研究は、ニオブium超伝導キャビティの準備方法、特に窒素ドーピングが、 trapped magnetic flux 劣化に対する感受性に与える影響を調査する。残留抵抗の trapped flux に対する感受性は平均自由行程に依存し、約8 nmでピークに達する。窒素ドーピングされたキャビティは、標準的な電気化学エッチングまたは120 °C焼鈍処理キャビティと比較して、1–5 nΩ/mGの感受性を示し、著しく高い値を示す。これは、クリーン限界におけるGurevich理論に従うボルテックスダイナミクスによるものである。

ABSTRACT

Future particle accelerators such as the the SLAC ``Linac Coherent Light Source-II'' (LCLS-II) and the proposed Cornell Energy Recovery Linac (ERL) require hundreds of superconducting radio-frequency (SRF) cavities operating in continuous wave (CW) mode. In order to achieve economic feasibility of projects such as these, the cavities must achieve a very high intrinsic quality factor ($Q_0$) to keep cryogenic losses within feasible limits. To reach these high $Q_0$'s in the case of LCLS-II, nitrogen-doping has been proposed as a cavity preparation technique. When dealing with $Q_0$'s greater than 1\e{10}, the effects of ambient magnetic field on $Q_0$ become significant. Here we show that the sensitivity to RF losses from trapped magnetic field in a cavity's walls is strongly dependent on the cavity preparation. Specifically, standard electropolished and 120$^\circ$C baked cavities show a residual resistance sensitivity to trapped magnetic flux of $\sim0.6$ and $\sim0.8$ n$Ω$/mG trapped, respectively, while nitrogen-doped cavities show a sensitivity of $\sim$ 1 to 5 n$Ω$/mG trapped. We show that this difference in sensitivities is directly related to the mean free path of the RF surface layer of the niobium: shorter mean free paths lead to less residual resistance sensitivity to trapped magnetic flux in the dirty limit ($\ell<>ξ_0$). These experimental results are also shown to have good agreement with recent theoretical predictions for pinned vortex lines oscillating in RF fields.

研究の動機と目的

• 異なる準備方法を用いたニオブium SRFキャビティにおける残留抵抗の trapped magnetic flux に対する感受性の依存関係を理解すること。
• 表面層の平均自由行程を変化させる窒素ドーピングが、 trapped flux に対する感受性に与える影響を調査すること。
• RF場におけるボルテックス線の振動に関する理論的モデル、特にGurevich理論と実験結果を照合すること。
• LCLS-IIのような高Q連続波加速器の将来のキャビティ設計を支援するため、異なる材料処理条件下でのフラックストラッピングリスクを定量すること。

提案手法

• 平均自由行程が2〜100 nmの範囲で変化する9種類のキャビティ準備法について、残留抵抗の trapped flux に対する感受性を測定した。
• 制御されたDC磁場を印加し、Qファクターの低下を測定するために低温RF測定システムを用いた。
• ボルテックスコアの面積と正規抵抗を介して、 trapped flux と表面抵抗を結びつける現象論的モデルを適用した。
• Gurevichのボルテックス振動損失理論モデルに実験データをフィッティングし、ピン留着点間隔が平均自由行程に比例すると仮定した。
• 理論的計算において、London浸透深さ（λL = 39 nm）とコherence長（ξ₀ = 38 nm）を用いた。
• 20 nm以上の平均自由行程において、1/√ℓ依存性を最小二乗法でフィッティングし、クリーン限界理論の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニオブium表面層の平均自由行程は、SRFキャビティにおける残留抵抗の trapped magnetic flux に対する感受性にどのように影響するか？
• RQ2 なぜ窒素ドーピングされたキャビティは、標準的な電気化学エッチングまたは120 °C焼鈍処理キャビティと比較して、より高い trapped flux 感受性を示すのか？
• RQ3 trapped flux 感受性に関する実験結果は、Gurevichのボルテックス線振動損失理論モデルとどの程度整合するか？
• RQ4 残留抵抗の trapped flux に対する感受性を最小限に抑える最適な平均自由行程範囲は何か？ ただし、高Q₀性能を維持する条件で。
• RQ5 平均自由行程に関連するピン留着点の空間的分布は、フラックストラッピングおよびエネルギー散逸のダイナミクスにどのように影響するか？

主な発見

• 窒素ドーピングされたキャビティは、trapped flux に対する残留抵抗感受性が1–5 nΩ/mGであり、標準的な電気化学エッチング（0.6 nΩ/mG）や120 °C焼鈍処理（0.8 nΩ/mG）キャビティと比較して著しく高い値を示す。
• 感受性は平均自由行程が約8 nmでピークに達し、材料特性に非単調な依存関係があることを示している。
• 20 nm以上の平均自由行程では、感受性が1/√ℓに従って減少し、Gurevichのボルテックス振動損失のクリーン限界理論と整合的である。
• 6 nm未満の平均自由行程では、平均自由行程が減少するにつれて感受性が低下し、これはボルテックスピン留着がより効果的になるドリーリー限界への遷移を示している。
• ピン留着点間隔 ℓp = 75ℓ を用いたGurevich式の理論的モデリングが実験データをよく再現しており、平均自由行程とピン留着点間隔の線形関係を支持している。
• ℓp = Cℓ の比例定数Cは、ニオブiumの特性（例えば結晶粒径）に依存しており、フラックス制御のための材料固有のチューニングが可能であることを示唆している。