Characterization of Nb3Sn and multilayer thin films for SRF applications

Abstract

Basic R&D on materials for superconducting radio frequency (SRF) applications requires RF measurements on samples with high resolution. The Quadrupole Resonator (QPR) at Helmholtz-Zentrum Berlin is a dedicated test cavity, enabling RF characterization of samples in a wide parameter space of temperature and RF field strength at three frequencies. Thereby, the instrument covers typical real-life accelerator conditions without being limited to it. Within the scope of this thesis, the QPR measurement capabilities were continuously expanded and improved, allowing calorimetric measurements of RF surface resistance at all three operating frequencies. Furthermore, magnetic penetration depth, critical temperature (Tc) and the RF critical field can be studied. From those directly measured values, superconducting and normal conducting quantities such as DC critical fields, Ginzburg-Landau parameter, mean free path and normal state resistivity can be derived, yielding a multi-parameter characterization of the investigated sample. In this work, two superconducting coatings were characterized: One single layer of Nb3Sn and a NbTiN on Nb multilayer structure. Nb3Sn is one of the most promising alternative materials to niobium and already showed high quality factors in coated research cavities. The sample investigated here underscores the potential of this high-Tc material for low surface resistance. Ultimately, this could enable low-loss continuous-wave particle accelerators. However the SRF performance failed to reach theoretical values, presumably due to off-stoichiometric areas that were subsequently identified using surface analysis. Furthermore, the RF quench field measurement indicated practical difficulties in reaching the superheating critical field of Nb3Sn with the current coating process. Multilayer structures of superconducting thin films are expected to increase the superheating critical field of a bulk superconductor, corresponding to higher maximum achievable accelerating gradients. With the second sample characterized in this work, the theoretical descriptions of magnetic penetration depth and superheating field for multilayer structures can be confirmed. The observation of non-monotonic surface resistance as a function of temperature reveals additional contributions that are not included in current theories and opens a promising field for future studies.

Grundlagenforschung an Materialien für supraleitende Hochfrequenzfeldanwendungen erfordert hochauflösende Messungen an Proben in Hochfrequenzfeldern. Der Quadrupolresonator (QPR) am Helmholtz-Zentrum Berlin ist ein spezialisierter Hohlraumresonator, der die Charakterisierung von Proben in einem großen Parameterraum von Feldstärke und Temperatur sowie bei drei Frequenzen ermöglicht. Damit deckt das Instrument typische Betriebsbedingungen von Teilchenbeschleunigern ab, ohne darauf beschränkt zu sein. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Messmöglichkeiten des QPR kontinuierlich weiterentwickelt und ermöglichen nun die Messung des Hochfrequenzoberflächenwiderstands bei allen drei Betriebsfrequenzen. Außerdem können die magnetische Eindringtiefe, die Sprungtemperatur und das kritische Magnetfeld in Hochfrequenzfeldern untersucht werden. Von diesen Messgrößen können charakteristische Materialparameter sowohl für den supraleitenden als auch für den normalleitenden Zustand abgeleitet werden, wie z. B. kritische (statische) Magnetfelder, Ginsburg-Landau-Parameter, mittlere freie Weglänge und elektrische Leitfähigkeit. In dieser Arbeit wurden zwei supraleitende Beschichtungen charakterisiert: Eine einzelne Nb3Sn-Schicht sowie eine mehrlagige Struktur aus NbTiN und Nb. Nb3Sn ist derzeit die vielversprechendste Alternative zu Niob und beschichtete Testkavitäten haben schon hohe Resonanzgüten demonstriert. Die in dieser Arbeit untersuchte Probe unterstreicht das Potential dieses Supraleiters mit vergleichsweise hoher Sprungtemperatur für kleine Oberflächenwiderstände. Perspektivisch können dadurch verlustarme Dauerstrichbeschleuniger ermöglicht werden. Allerdings wurden bei dieser konkreten Probe nicht-stöchiometrische Bereiche mittels Oberflächenanalyse festgestellt, die die supraleitende Leistungfähigkeit limitieren. Außerdem weist die Messung des Hochfrequenzquenchfelds auf praktische Schwierigkeiten in der Erreichbarkeit des überhitzten kritischen Magnetfelds von Nb3Sn mit dem aktuellen Beschichtungsprozess hin. Mehrlagige Strukturen aus dünnen supraleitenden Schichten sollen das überhitzte kritische Magnetfeld eines massiven Supraleiters aus Vollmaterial erhöhen und damit zu höheren maximal erreichbaren Beschleunigungsfeldstärken führen. Mit der zweiten im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Probe konnten die theoretischen Beschreibungen der magnetischen Eindringtiefe und des überhitzten kritischen Magnetfelds für mehrlagige Systeme bestätigt werden. Die Beobachtung von Oberflächenwiderstand mit nicht-monotonem Temperaturverhalten deutet auf weitere Widerstandsbeiträge außerhalb der bisherigen Theorie hin und eröffnet ein vielversprechendes Feld für weitere Untersuchungen.