Una delle più importanti applicazioni dei materiali superconduttivi è la realizzazione di cavità acceleratrici per i moderni acceleratori di particelle per la ricerca elementare. Finora l'impiego del niobio massiccio ha regnato incontrastato in questo campo della tecnologia: la fortuna dell'approccio tecnologico basato sul niobio non stà tanto nelle sue buone proprietà superconduttive, ma nel fatto che può essere prodotto con un elevatissimo grado di purezza, difficilmente raggiungibile per composti complessi, e soprattutto può essere lavorato con tradizionali metodi metallurgici per ottenere i più svariati dispositivi. Il Nb3Sn è una lega intermetallica che presenta proprietà superconduttive molto interessanti per le applicazioni in r.f. e potrebbe essere un ottimo candiato a sostituire il niobio in molte applicazioni.

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2. UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA
FACOLTÀ DI SCIENZE MM.FF.NN.
Corso di Laurea Triennale in Scienza dei
Materiali
PREPARAZIONE DI CAMPIONI
DI Nb3Sn CON STRUTTURA A15
TRAMITE DIFFUSIONE TERMICA
DA FASE LIQUIDA
Relatore: Prof. Vincenzo Palmieri
Candidato: Marco Pasetto
Correlatore: Dott.ssa Silvia M. Deambrosis

3. Contenuti
● Introduzione
– Materiali A15 e Nb3Sn
– Metodi di preparazione del Nb3Sn per diffusione termica
● Fase sperimentale
– Metodo con annealing in atmosfera di Sn
– Metodo con annealing in vuoto
● Campioni ottenuti e misure effettuate
● Conclusioni

4. Materiali A15
A3B (Cr3Si)
Cella cubica
6 atomi A (CN=14)
2 atomi B (CN=12)
rA
Goldschmidt 1
rB

5. Materiali A15
rA
1
rB

6. Superconduttività negli A15
Ordine a lungo raggio:
Catene di atomi A lungo
le direzioni <100>
(Hanak el al.)
Alterazione della stechiometria:
Un eccesso di B determina un
abbassamento di Tc maggiore
rispetto ad un eccesso di A

7. Superconduttori A15 (A=Nb)
Composto stechiometrico stabile
a T troppo elevate (~2000 K)
Instabile alla
composizione
stechiometrica
aRaffreddamento rapido, bOttenuti sotto pressione, cNon termodinamiche

8. Diagramma di fase del Nb3Sn
Nb3Sn A15
è l’unica fase
stabile
930 C
Sono favorite
altre fasi:
Nb6Sn5, NbSn2

9. Metodi di preparazione
● Chemical Vapor Deposition
● Physical Vapor Deposition
● Diffusione termica
– da fase solida (bronze process)
– da fase vapore
– da fase liquida

10. Bronze Process
Cavi multifilamento per magneti sc
Substrato di niobio in
matrice di bronzo.
Trattamento termico a 700 C

11. Diffusione termica da fase vapore
after Peininger, et al. ANL-PHY 1988, 1, 503 (Wuppertal)
Procedura in 4 step
1. Anodizzazione della superficie (~500 nm)
2. Trattamento a 500 C con SnCl2
3. Accrescimento del film in atmosfera di stagno (~10-3mBar)
4. Rimozione chimica dello stagno residuo

12. Diffusione termica da fase vapore
● Difficoltà di nucleazione della nuova fase
in superficie
● Crescita molto lenta del film (giorni)
● Spessore non uniforme lungo l’asse
della cavità

13. Diffusione termica da fase liquida
Immersione Trattamento
del substrato di Nb termico a
in bagno di Sn fuso T>930 C
● Non necessita di trattamenti superficiali
per forzare la nucleazione
● Crescita rapida dello strato
● Auspicabile maggiore uniformità del film

14. Fase sperimentale
● Sistema da vuoto
● Preparazione dei substrati
● Procedura con annealing in atmosfera di Sn
● Procedura con annealing in vuoto
● Analisi dei campioni

15. Il sistema da vuoto Controller
Vacuometro
Pompa Pompa
Preliminare Turbomolecolare
Scroll Vacuometro
Bayard Alpert
Leak Valve
Valvola Gate
Valvola per Per rientro con azoto
Elettropneumatica
Connessione
Leak detector

16. Pulizia chimica del substrato
10 minuti
Miscela 1:1:2 per etching del niobio
50% H3PO4, 25% HNO3, 25% HF
1. 2 Nb + 5 HNO3 + 5H+ = 5 NO + Nb2O5 + 5 H2O
2. Nb2O5 + 10 HF = 2 NbF5 + 5 H2O
Prima … … e dopo.

17. Annealing in atmosfera di stagno
Ridurre contaminazioni
Generazione del vuoto
P ~ 10-7 – 10-8 mBar
Diffusione dello Sn e Nucleazione
Dipping della nuova fase (T>930 C)
Accrescimento del film e
Annealing rimozione dello stagno superficiale
(PSn ~ 10-4 mBar)
Rapido per evitare la formazione
Raffreddamento
di fasi più stabili a bassa T

18. In atmosfera di Sn
Nb3Sn
Nb Sn Sn
(liquido) (vapore)
Evaporazione
Diffusione
Condensazione

19. Annealing in vuoto (2 step)
Generazione 2 Ciclo di vuoto
del vuoto
Annealing
Dipping
senza vapori di Sn
Raffeddamento e
Rimozione del Raffeddamento Finale
Crogiuolo

20. In vuoto
Nb3Sn
Nb Sn Sn
(liquido) (vapore)
Diffusione
Evaporazione

21. Campioni ottenuti
Metodo “1 step”

22. Campioni ottenuti
Metodo “2 step”

23. Micrografia SEM
Nb3Sn n 29 Dipping 2 min + 15 h
Nb3Sn spessore
Nb

24. Spessori

25. Micrografia SEM
Nb3Sn n 32: Dipping 10 min + Annealing 15 h
100% Nb
74% Nb
26% Sn
~13.4 m
85% Nb
15% Sn

26. Proprietà superconduttive
Nb3Sn n 24: Dipping 15 min + Annealing 20 h
Nb3Sn n°24
-0,007
6 8 10 12 14 16 18 20
-0,009
Inizio della transizione: TC
-0,011
-0,013
M' (emu)
-0,015
-0,017
-0,019
Fine della transizione: TC- TC
-0,021
-0,023
-0,025
Temperatura (K)

27. Struttura Cristallina
(211)
1,0
Nb3SnNb3Sn n°4: T=970°C, 30 min+6h
n 4: Dipping 30 min
0,9
0,8
+ Annealing 6 h
0,7
Intensità Relativa
0,6
0,5 (200)
(210)
(321)
0,4
0,3
(630)
(421) (520) (611)
0,2 (222) (420)
(332) (521)
(320) (600)
(400) (440) (622)
0,1
0,0
20 40 60 80 100 120 140 160
Angolo 2 gradi

28. Conclusioni
Diffusione termica
Sfrutta la stabilità ● Riproducibilità
termodinamica del Nb3Sn ● Basso profilo tecnologico
... da fase liquida
● Nucleazione spontanea
Elevata “driving force”
● Rapida crescita del film

29. Conclusioni
Entrambi i metodi comportano un’alterazione
della stechiometria ideale
Annealing in Eccesso di stagno
atmosfera di Sn in superficie
Annealing in Impoverimento di Sn
vuoto in superficie
Auspicabile miglior
controllo dello spessore

30. UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA
FACOLTÀ DI SCIENZE MM.FF.NN.
Corso di Laurea Triennale in Scienza dei
Materiali
PREPARAZIONE DI CAMPIONI
DI Nb3Sn CON STRUTTURA A15
TRAMITE DIFFUSIONE TERMICA
DA FASE LIQUIDA
Grazie!

32. Chemical Vapor Deposition
• Camera fredda, substrato riscaldato a 800 - 900 C
• Precursori :NbCl5 e SnCl2 prodotti in situ
• Gas di trasporto reattivo: H2 e HCl
2 NbCl5 5 H2 10 HCl 2 Nb
SnCl 2 H2 2 HCl Sn

33. Physical Vapor Deposition
● Electron Beam Deposition
Target di Nb e Sn evaporati per bombardamento
elettronico da sorgenti controllate separatamente
● Sputtering deposition
Target di Nb e Sn evaporati per sputtering in
simultanea o separatamente

34. Scanning Electron Microscope
Dipendono dalla massa atomica
Backscattered electrons
degli atomi
Dipendono dalla massa atomica
Secondary electrons degli atomi

35. Bardeen Cooper Schrieffer

36. Diffusione termica da fase vapore
Sistema di riscaldamento
della cavità
Cavità da ricoprire
Sorgente di vapori di stagno
con riscaldamento separato
Sistema di pompaggio

37. Nb3Sn
Superconduttore Tipo II
Elevata TC 18.26 K
Elevato HC2 22 T (4.2 K)
RN (20 K) ~ 200 m
RS (2 K) ~ 2 n

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