[論文レビュー] The Effect of Mechanical Cold Work on the Magnetic Flux Expulsion of Niobium

Sam Posen, Saravan Kumar Chandrasekaran+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2018

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、超伝導RF（SRF）キャビティの性能にとって重要な要因である、ニオブiumにおける磁束の駆除行動に、機械的コールドワークが与える影響を調査している。2つのニオブiumキャビティ（1つは製造前に対象のニオブiumスライスをコールドロール処理、もう1つは処理なし）を用いて、コールドワークが、密な結晶粒界ネットワークが存在しない状況でも、磁束駆除行動を顕著に向上させることを実証した。これは、コールドワークが高品質ファクターSRF性能の鍵要因であることを示している。

ABSTRACT

Expulsion of ambient flux has been shown to be crucial to obtain high quality factors in bulk niobium SRF cavities. However, there remain many questions as to what properties of the niobium material determine its flux expulsion behavior. In this paper, we present first results from a new study of two cavities that were specially fabricated to study flux expulsion. Both cavities were made from large grain ingot niobium slices, one of which had its slices rolled prior to fabrication, and none these slices were annealed prior to measurement. Expulsion measurements indicate that a dense network of grain boundaries is not necessary for a cavity to have near-complete flux trapping behavior up to large thermal gradients. The results also contribute to a body of evidence that cold work is a strong determinant of flux expulsion behavior in SRF-grade niobium.

研究の動機と目的

• SRFキャビティに用いられるニオブiumの磁束駆除行動における機械的コールドワークの役割を調査すること。
• ニオブiumキャビティにおける効果的な磁束駆除には、密な結晶粒界ネットワークが必要かどうかを特定すること。
• 大きな熱勾配下におけるコールドワークの磁束捕捉行動への影響を評価すること。
• 製造済みキャビティ内のコールドロール処理済みと未処理のニオブiumスライス間の磁束駆除行動を比較すること。

提案手法

• 大型結晶粒インゴットから得たニオブiumスライスを用いて、2つのボリュームニオブiumSRFキャビティを製作した。
• 一方のスライス群はキャビティ製作の前に機械的コールドロール処理が施されたが、他方は処理が施されなかった。
• 磁束駆除を、さまざまな熱勾配下で測定し、磁束捕捉行動を評価した。
• 本研究では、コールドワーク処理済みと非処理のニオブiumの性能を比較するために、直接的な磁束駆除測定を実施した。
• コールドワークの効果を保持するため、測定前にキャビティをアニール処理しなかった。
• 結果を分析して、コールドワーク度合いと磁束駆除効率、Qファクターの潜在的向上との相関を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 機械的コールドワークは、ニオブiumSRFキャビティにおける磁束駆除を向上させるか？
• RQ2 ニオブiumキャビティにおけるほぼ完全な磁束駆除には、密な結晶粒界ネットワークが必須であるか？
• RQ3 大きな熱勾配下では、コールドワークが磁束捕捉行動にどのように影響するか？
• RQ4 後処理としてのアニール処理がなくても、コールドワーク処理ニオブiumは高品質ファクター性能を達成できるか？

主な発見

• コールドワークは、SRFグレードニオブiumの磁束駆除行動に強く影響する要因であることが判明した。
• 密な結晶粒界ネットワークが存在しない状況でも、コールドロール処理キャビティでほぼ完全な磁束駆除が観察された。
• 大きな熱勾配下でも、コールドロール処理キャビティは効果的な磁束捕捉を示し、優れた性能を示した。
• 結果から、コールドワークは結晶粒界密度とは独立して磁束駆除を向上させることが示唆された。
• 非処理のものと比較して、コールドワーク処理されたサンプルの磁束駆除行動が顕著に改善された。
• 後処理としてのアニール処理が行われなかったにもかかわらず、高い磁束駆除が達成されたことから、コールドワークの持続的影響が顕著に現れた。