Development of SRF monolayer/multilayer thin film materials to increase the performance of SRF accelerating structures beyond bulk Nb

La reduction du cout de construction et d’exploitation des futurs accelerateurs d particules, a grande et petite echelles, depend du developpement de nouveaux materiaux pour les surfaces actives des structures supraconductrices en radiofrequence (SRF). Les proprietes SRF sont essentiellement un phenomene de surface vu que la profondeur de penetration (profondeur de penetration de London, λ) des micro-ondes (RF) est typiquement de l’ordre de 20 a 400 nm en fonction du materiau. Lorsque les procedes de preparation de surface sont optimises, la limite fondamentale du champ RF que les surfaces SRF peuvent supporter est le champ RF maximum, Hc₁, au-dela duquel le flux magnetique commence a penetrer la surface du supraconducteur. Le materiau le plus utilise pour des applications SRF est le niobium (Nb) massif, avec un champ Hc₁ de l’ordre de 170 mT, qui permet d’atteindre un champ accelerateur de moins de 50 MV/m. Les meilleures perspectives d’amelioration des performances des cavites SRF sont liees a des materiaux et methodes de production produisant la surface SRF critique de facon controlee. Dans cette optique, deux avenues sont explorees pour utiliser des couches minces pour augmenter les performances des structures SRF au-dela du Nb massif, en monocouche ou en structures multicouches Supraconducteur-Isolant-Supraconducteur (SIS) : La premiere approche est d’utiliser une couche de Nb deposee sur du cuivre (Nb/Cu) a la place du Nb massif. La technologie Nb/Cu a demontre, au cours des annees, etre une alternative viable pour les cavites SRF. Toutefois, les techniques de depot communement utilisees, principalement la pulverisation magnetron, n’ont jusqu’a present pas permis de produire des surfaces SRF adaptees aux performances requises. Le recent developpement de techniques de depot par condensation energetiques, produisant des flux d’ions energetiques de facon controlee (telles que des sources d’ions ECR sous ultravide) ouvrent la voie au developpement de films SRF de grand qualite. La correlation entre les conditions de croissance, l’energie des ions incidents, la structure et les performances RF des films produits est etudiee. Des films Nb avec des proprietes proches du Nb massif sont ainsi produits. La deuxieme approche est basee sur un concept qui propose qu’une structure multicouche SIS deposee sur une surface de Nb peut atteindre des performances superieures a celles du Nb massif. Bien que les materiaux supraconducteurs a haute Tc aient un champ Hc₁ inferieur a celui du Nb, des couches minces de tels materiaux d’une epaisseur (d) inferieure a la profondeur de penetration voient une augmentation de leur champ parallele Hc₁ resultant au retardement de la penetration du flux magnetique. Cette surcouche peut ainsi permettre l’ecrantage magnetique de la surface de Nb qui est donc maintenue dans l’etat de Meissner a des champs RF bien plus importants que pour le Nb massif. La croissance et performance de structures multicouches SIS basees sur des films de NbTiN, pour le supraconducteur, et de l’AlN, pour le dielectrique, sont etudiees. Les resultats de cette etude montrent la faisabilite de cette approche et le potentiel qui en decoule pour l’amelioration des performances SRF au-dela du Nb massif.