Nb/Cu QWR superconductive cavities production for the ALPI upgrade in the framework of the SPES facility

The research activity described in this paper is based on the Nb/Cu QWR cavities production technology for the ALPI LINAC upgrade in the framework of the SPES facility. The ALPI (“Acceleratore Lineare Per Ioni” in Italian) linear accelerator for ions, based in Legnaro National Laboratories, is used for the acceleration of the heavy ions. The ALPI accelerator is composed by quarter wave resonators (QWR), divided onto three brunches: low-β, medium-β and high-β in function on particle velocity. The SPES (“Selective Production of Exotic Species”) project is based in Legnaro National Laboratories and related to basic research in different fields of science. The SPES project is now in the construction stage and ALPI LINAC will be used for acceleration and reacceleration of the radioactive beams of interest for the SPES project. Current acceleration energy of the LINAC is insufficient for the SPES facility, and the upgrade of the accelerator is required. The increase of the ALPI LINAC total energy and reliability can be done by the addition of two cryostats in the high-β section of ALPI. For this upgrade the production of 8 new Nb/Cu high-β superconductive QWRs and plates, by sputtering technology is fundamental. The R&D activity in the framework of the Nb/Cu high-β QWR production can be divided in three parts. The first part was based on the upgrade and modification of the vacuum systems, used for sputtering of the medium-β QWR cavities, plates, and cryostat measurements of the superconductive structures. Due to different substrate geometries of medium and high-β cavities, the sputtering vacuum systems and measurement cryostat were refurbished and modified. The second part was focused on the definition of the sputtering parameters for the high-β QWR cavities and plates production. The Niobium deposition was made onto quartz samples, placed within the surface of the stainless-steel moke-up QWR cavity. A variation of the sputtering parameters was proceeded for achieving the highest superconductive properties and the equal thickness of the niobium coating within all the quarter wave resonator surface. After the definition of the sputtering parameters, Nb/Cu high-β QWR cavities and plates were produced. The superconductive performance of the high-β cavities were evaluated at 4,2 K in the refurbished vacuum cryostat. In the framework of the Nb/Cu high-β QWR production for the ALPI upgrade 10 cavities were produced. Several cavities reached the superconductive target performance and will be assembled in the ALPI accelerator. The proposed technology is sufficient for further production of the Nb/Cu high-β cavities for the ALPI accelerator.

L'attività di ricerca descritta in questo elaborato è basata sulla tecnologia di produzione di cavità Nb/Cu QWR per l’upgrade del LINAC ALPI nel quadro della struttura SPES. L'acceleratore lineare per ioni ALPI, basato nei Laboratori Nazionali di Legnaro, è utilizzato per l'accelerazione degli ioni pesanti. L'acceleratore ALPI è composto da risonatori a quarto d'onda (QWR), divisi in tre gruppi: basso-β, medio-β e alto-β in funzione della velocità delle particelle. Il progetto SPES ("Selective Production of Exotic Species") ha sede nei Laboratori Nazionali di Legnaro ed è legato alla ricerca di base in diversi campi della scienza. Esso è ora in fase di costruzione e il LINAC ALPI sarà utilizzato per l'accelerazione e la riaccelerazione dei fasci radioattivi. L'attuale energia di accelerazione del LINAC è insufficiente per la facility SPES e l’upgrade dell'acceleratore è fondamentale. L'aumento dell'energia totale e dell'affidabilità del LINAC ALPI può essere eseguito con l'aggiunta di due criostati nella sezione high-β. Per questo aggiornamento è fondamentale la produzione di 8 nuovi risuonatori superconduttivi ad alto-β e piatti, prodotti mediante il processo di sputtering. L'attività di R&D nel quadro della produzione di Nb/Cu high-β QWR può essere divisa in tre parti. La prima parte si è basata sull'aggiornamento e la modifica dei sistemi di vuoto, utilizzati per lo sputtering delle cavità QWR a medio-β, dei piatti e delle misure tramite un criostato delle strutture superconduttive. A causa delle diverse geometrie del substrato delle cavità a medio ed alto beta, i sistemi da sputtering e il criostato di misura sono stati rinnovati e modificati. La seconda parte si è concentrata sulla definizione dei parametri di sputtering per le cavità QWR ad alto-β e la produzione dei piatti. La deposizione di niobio è stata eseguita su campioni di quarzo, collocati all'interno della superficie della cavità di test in acciaio inossidabile. Si è proceduto ad una variazione dei parametri di sputtering per ottenere le più alte proprietà superconduttive e uguale spessore del rivestimento di niobio all'interno di tutta la superficie del risonatore a quarto d'onda. Dopo la definizione dei parametri di sputtering, sono state prodotte le cavità QWR e i piatti Nb/Cu high-β. Le prestazioni superconduttive delle cavità high-β sono state valutate a 4,2 K nel criostato rinnovato. Nel quadro della produzione di Nb/Cu high-β QWR per l'aggiornamento LINAC ALPI sono state prodotte 10 cavità, utilizzando la tecnologia di produzione definita nella prima fase dell’attività di ricerca. Diverse cavità hanno raggiunto le prestazioni definite come target per l’instalazione in acceleratore (min 4.5 MV/m @7W) e saranno assemblate nell’acceleratore. La tecnologia proposta è sufficiente per proseguire nella produzione delle cavità Nb/Cu high-β per ALPI.