Impact de la résistance de Kapitza sur la stabilité thermomagnétique d'une cavité supraconductrice

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J. Amrit et M. X. François,
en collaboration avec C.Z. Antoine1 et H. Safa1

Figure

Objet

L'efficacité d'une cavité supraconductrice fabriquée en niobium dépend entre autres de son comportement thermique. Ce dernier est déterminé par la conductivité thermique K du niobium et par la résistance de Kapitza RK à l'interface entre la paroi extérieure de la cavité et le réfrigérant (hélium superfluide) qui l'entoure. Nous examinons l'influence de RK et de K sur le champ accélérateur Eacc.

Description

L'interaction entre la composante magnétique B du champ haute fréquence injecté dans la cavité et les électrons libres du niobium, dissipe une puissance E2acc (où Rs est la résistivité électrique) au niveau de la paroi intérieure. Cette puissance, d'une part, diminue le facteur de qualité, Qo(=ωW/q) où W est l'énergie stockée, et d'autre part, elle augmente la température de la paroi, limitant ainsi le champ accélérateur. Les équations ci-dessous, écrites dans le cadre d'un modèle simple, caractérisent le bilan thermique :

D T=Ts - Tbain = (e/Km + RK)q

(Ti - Tbain) = RKq

Km = 1/(Ts - Ti) ∫TiTsK(T)dT

où Ti, Ts et Tbain sont respectivement les températures de l'interface, de la paroi interne et de l'hélium superfluide. En faisant des mesures propres de RK et de K, et à l'aide des équations ci-dessus, nous avons calculé le champ accélérateur maximum possible pour différents échantillons de niobium.

Résultats et perspectives

Quatre échantillons de niobium, ayant différents états de surface et différentes puretés massiques caractérisées par les valeurs de RRR, ont été étudiés, voir Figure 1. Les valeurs que nous avons mesurées pour la rugosité de surface σ et pour RK sont regroupées dans le Tableau 1. La Figure 2 montre clairement que la résistance de Kapitza RK (et donc l'état de surface de la paroi extérieure) joue un rôle dominant dans la détermination de la valeur maximum du champ accélérateur. De plus, dans certains cas on peut avoir un gain de l'ordre de 30% du champ (voir courbes 2 et 3 de la Figure 2). Actuellement l'influence des surfaces gravées sur Eacc est étudiée.

Références

[1] J. Amrit, C. Z. Antoine, M. X. François and H. Safa : « On intrinsic thermal limitations of superconducting cavities  : Kapitza resistance ». Advances in Cryogenic Engineering, 2002, accepté.
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1 DAPNIA/SEA ; CEA, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France.

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