Fotocatodi per iniettori ad alta brillanza: produzione per cannoni RF Valigia di trasporto FLASH PITZ Dal ‘98 il laboratorio LASA (INFN Milano) produce film fotoemissivi in Cs2Te per il loro impiego in cannoni RF ad alta brillanza NML APEX XFEL • Dal 2004: reponsabile della produzione dei fotocatodi e della gestione dei rapporti con i vari laboratori conivolti Camera di preparazione Valigia di trasporto Cannone RF a FLASH • Preparazione dei substrati in Mo e deposizione del Cs2Te • Ottimizzazione ricetta di deposizione (riproducibilità delle caratteristiche dei film) -> ottima riproducibilità e stabilità caratteristiche fotoemissive • Gestione del Cathode database (http://wwwlasa.mi.infn.it/ttfcathodes/): parametri del processo di deposizione, performance nei cannoni RF (QE, unifromità, dark current), analisi post utilizzo dei film (QE finale, analisi danneggiamenti substrato). • Gestione rapporti tra i vari partner: DESY-Hamburg (FLASH), DESY-Zeuthen (PITZ), FNAL (NML), LBNL (APEX) • Scientific visitor (DESY) -> set-up misura QE nel cannone RF; Operazioni macchina (remoto) • Inoltre, ho contribuito alla costruzione di due sistemi completi (produzione/trasferimento nel cannone) per DESY-Hamburg (XFEL) e FNAL (LBNL) Catodi prodotti ad oggi: 122 (Cs2Te), 42 (Mo) QE media (@254nm): 9.3%; ottimizzazione ricetta: QE: 8.6% -> 11.3% Vita media ~ 150 giorni QE reproducibility 13 mm 10 mm 5 mm QE =[%] 11.2 QE [%] 11.2=+/1.6 10 ± 1.6 8 20 6 bins “New diagnostic” 4 15 0 0 10 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 16 18 20 16 QE=[%] = 8.6 QE [%] 8.6 +/2.7 14 ± 2.7 12 10 5 bins QE [%] 2 8 6 4 0 2 0 0 Cathode 2 4 6 8 10 12 14 QE [%] Since 2009 we applied the multi-wavelengths diagnostic during the film deposition (29 cathodes) obtaining: •Good reproducibility of the film characteristics •Less sources consumptions 2 QE @ 254nm distribution for standard cathodes (Te=10nm): •red (multi-wavelength diagnostic) •blue (old diagnostic) PITZ Collaboration Meeting 2728, October 2011 Fotocatodi per iniettori ad alta brillanza: R&D - 80° TOF - 60° - 40° sample Nd:glass laser TOF spectrometer HG 0° • Misura emittanza termica del Cs2Te (e Ag): spettrometro a tempo di volo (TOF) per elettroni lenti (<5 eV) in UHV (p ~ 1.10-10 mbar), angoli: 5° ÷ 80°, λ = 264nm (4th) ÷ 211nm (5th) (IR λ = 1054nm) • Messa in opera, caratterizzazione e calibrazione TOF (Ag, Ag+Cs, Nb, Mo) • Studio e riduzioni delle perturbazioni dello spettro (potenziali di contatto, carica spaziale, campo magnetico terrestre) -> progetto e costruzione di un nuovo schermo: 300mG -> 8mG • Misura dell’emittanza termica del Cs2Te (con 4th e 5th armonica) ref. PD 30° 50° 70° • Misure parametri ottici del Cs2Te (e metalli), rugosità, DOS: Camera in UHV, angoli: 5° ÷ 80°, sorgenti in continua, da 239nm a 536 (514) ????? pyro filters Bre s εth R (Cs2Te) Rs • Ottimizzazione ricetta Cs2Te, misure di riflettività durante la crescita, invecchiamento ad hoc dei film (Eg+Ea): Camera in UHV, angoli: 5° ÷ 80°, sorgenti in continua, da 239nm a 536 (514) ????? Misura emittanza termica Cs2Te: εth (4th) 0.5 ± 0.1 mm mrad (εth (5th) 0.7 ± 0.1 mm mrad Rp Multiwavelengths diagnostic QE @ different lambda during the Cs deposition Cathode 104.2 Hg lamp Prep. chamber viewport QE @ 239 QE @ 297 QE @ 365 QE @ 436 Shutter Filter wheel 1.E+01 QE @ 254 QE @ 334 QE @ 405 stop deposition The “last” peak QE (%) 1.E+00 Photodiode 1.E-01 1.E-02 Photocurrent signal Remote controller 1.E-03 1.E-04 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Evaporated Cs thickness (nm) R @ 254nm vs. Te and Cs deposition QE @ 254 nm vs. Cs deposition Te dep. Cs deposition 60 Cathode 113.2 (Te 5.1 nm) Cathode 149.1 (Te 10.1 nm) Cathode 146.1 (Te 15.4 nm) 10 Cathode 113.2 (Te 5.1 nm) 50 Cathode 149.1 (Te 10.1 nm) R @ 254 nm (%) Cathode 146.1 (Te 15.4 nm) QE @ 254 nm (%) The “new diagnostic” allows to measure: •QE & R @ ls during the deposition to estimate: •Eg+Ea threshold formation during the deposition to control: •Te deposition on the Mo plug •Completion of the Cs2Te (no Cs excess) 1 40 30 20 10 0.1 0 4 5 10 15 20 25 30 35 0 8 16 24 32 40 48 56 64 0 12 24 36 48 60 72 84 96 Evaporated Cs thickness (nm) 0 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Evaporated Cs Thickness (nm) 90 100 Produzione cavità SC Nb: produzione cavità 1.3 GHz (XFEL) (overview) Il progetto XFEL prevede la produzione delle 800 cavità in Nb a 1.3 GHz presso l’industria che per la prima volta ha la responsabilità sia della costruzione meccanica che di tutti i trattamenti necessari (compresa l’integrazione della He-tank) per il test RF a freddo a DESY Best Performances Cavities (Eacc) Final EP Goal XFEL: Eusable ≥ 23.6 MV/m Q0 ≥ 1.1010 10 Flash BCP 20 30 40 Eacc [MV/m] 70 100 Number of Cavities After Retreatment As Received 50 90 Eusable 60 STATO ATTUALE meccanica: 100 % (EZ), 90% (RI); cavità finite: 96% (EZ), 83% (RI) Eusable 30.2 ± 4.6 MV/m, Q0 (@23.6 MV/m) 1.38 ± 0.25 ( 1.1010) < ??% cavità sotto performance (??% in ritrattamento, #6?? cavità rigettate) Fine Produzione Cavità: Settembre 2015 50 80 70 60 40 50 30 40 30 20 20 10 10 0 0 0 5 10 15 20 25 30 Eacc (MV/m) 35 40 45 50 Yield (%) 1.0E+11 Strategia Produzione Cavità Prima della produzione: • stesura specifiche processo (“Final EP”, “Flash BCP”) • qualifica ditte: E. Zanon (IT) e Research Instruments (D) Q0 1.0E+10 • trasferimento tecnologico • crescita delle infrastrutture e loro qualifica Durante la produzione: • controllo qualità processi (meccanica e trattamenti) 1.0E+09 0 • EDMS (DESY) e database con i parametri di processo • feedback alle industrie (performance RF vs. parametri processi) • Visite periodiche presso le due ditte Produzione cavità SC Nb: produzione cavità 1.3 GHz (XFEL) Seguo le attività del WP04 dall’inizio del progetto. Dal 2010: • Deputy del leader italiano per la produzione delle cavità (WP04) • Membro del team di esperti (DESY/INFN) del controllo qualità trattamenti • Ho la responsabilità dello studio dell’andamento della qualità delle performance delle cavità nei test RF rispetto alla produzione nelle ditte EZ 1.3GHz Cavities Production 45 45 35 30 30 25 20 15 10 5 RI 40 35 Eacc [MV/m] Eacc [MV/m] 40 EZ Emax (1st test) Eusable (1st test) 0 25 20 15 10 5 Emax (1st test) Eusable (1st test) 0 Production date Production date 400 350 300 250 10 cavities cav/week 9 8 7 6 5 200 150 4 3 100 2 50 1 0 0 Cav/week • Partecipazione alla stesura delle specifiche dei trattamenti per XFEL • Qualifica della ditta EZ (per la parte di meccanica, ottimizzazione EBW, studio evoluzione difetti causa di limitazione delle performance) • Trasferimento tecnologico (EZ/RI) • Qualifica delle infrastrutture e dei processi di trattamento (EZ/RI) • Visite periodiche (EZ/RI) Total Cavities Delivered to DESY 450 Produzione cavità SC Nb: produzione cavità 3.9 GHz (XFEL) INFN responsabile della produzione del modulo di 3rd armonica per XFEL (e secondo modulo “spare” di XFEL) Prototipi: • Sistema per ispezione interna cavità (qualità saldature EBW e superficie interna prima e dopo BCP) • Ottimizzazione trattamenti superficiali Produzione 8 (+2) cavità di serie per modulo: Dal ???: Responsabile Controllo Qualità dei trattamenti processo • Stesura specifiche dei trattamenti della produzione in serie • Controllo qualità del processo sia presso la ditta EZ che presso il LASA STATO ATTUALE (1° modulo) Assiemaggio stringa in corso in questi giorni progetto ESS (fase iniziale): Fase prototipale (3 prototipi medio e alto beta, materiale “fine” e “large” grain): • Stesura del ciclo di produzione e delle specifiche dei trattamenti superficiali • Responsabile del controllo qualità (presso l’industria e presso il LASA) Produzione cavità SC Nb: ancillari & altre applicazioni???? Schermo magnetico (Pierini) Flangiatura Evoluzioni difetti Pirometria ?? Progetti Futuri: Progetto XFEL: Produzione secondo modulo di terza armonica •Controllo qualità presso la ditta EZ e al LASA Progetto ESS: Fase prototipale (3 prototipi medio e alto beta, materiale “fine” e “large” grain): • Stesura delle specifiche dei trattamenti superficiali • Responsabile del controllo qualità (presso l’industria e presso il LASA) Produzione in serie (?? Cavità medio beta): Fotocatodi per LCLSII commissioning: • Produzione di un nuovo sistema di trasporto in UHV per fotocatodi • Produzione e caratterizzazione dei film fotoemissivi TEAM C. Pagani A. Bosotti P. Michelato P. Pierini D. Sertore L. Monaco R. Paparella M. Bertucci J.F. Chen M. Moretti M. Fusetti M. Bonezzi M. ??? Team CAVITA’ XFEL – 1.3 Specifiche XFEL Trasferimento tecnologico Team esperti dei trattamenti Controllo qualità (con EZ/RI) Check produzione/performance cavità Ruolo ufficiale: deputy del co-leader WP04 Nel team di esperti trattamenti Michelato – io (e gruppo LASA per varie tematiche) DESY CAVITA’ XFEL – 3.9 Specifiche XFEL 3.9GHz (per trattamenti) Supporto EZ per adattamento impianti Controllo qualità (sia in EZ/che LASA) Aspetti tecnologici: Ispezioni ottiche BCP sulle cavità Team Pagani, bosotti, pierini, paparella, michelato, sertore, bertucci, j.fang chen, majano, moretti, monaco, fusetti, bonezzi DESY CAVITA’ ancillari Schermaggio da campo magnetico Flangiature a freddo Controllo temperatura durante EBW Team Pagani, pierini, michelato, sertore, monaco, paparella, bototti, ecc CAVITA’ ESS / 3.9- > futuro Specifiche trattamenti cavità per ESS Messa in opera del controllo qualità presso ditta e LASA Secondo modulo 3.9GHz (controllo in EZ/LASA) Team Pagani, michelato, pierini, paparella, bosotti, sertore, jinfang, monaco, moretti maiano, fusetti, bonezzi (DESY) CATODI PRODUZIONE Responsabile produzione film fotoemissivi per i vari laboratori Gestione rapporti con i vari laboratori Cathode database Attività correlate: Ottimizzazione ricetta deposizione Analisi pre-post utilizzo catodi Verso nuove valige... Team Pagani, michelato, sertore, monaco, fusetti, bonezzi CATODI Laboratori coinvolti e il futuro DESY DESY-PITZ FNAL LBNL E collaborazioni con.... Team Pagani, michelato, sertore, monaco, fusetti, bonezzi CATODI R&D Team Pagani, michelato, sertore, monaco, fusetti, bonezzi Emittanza termica (TOF) Misure ottiche Misure rugosità Invecchiamento campioni R&D su fotocatodi (Cs2Te) Spettrometro a tempo di volo (TOF) per elettroni lenti (< 5eV) in UHV Camera di • Misura emittanza termica del Cs2Te preparazione 0.9 Cs2Te Thermal Emittance Estimation (mm mrad) th 5 harmonic th 4 harmonic 0.8 0.7 Camera in m-metal e TOF 0.6 0.5 0.4 - 80° 0.3 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 - 60° 0.6 - 40° Bias Voltage (V) sample Nd:glass laser TOF spectrometer HG 0° ref. PD 30° Misure ottiche ris Misure di rugosit Misure di inquna invecchiamento a laser: 4th-5th armonica di un Nd:glass (IR = 1054nm) UVH (few 1.1010mbar) 0° - 85°, step di 5° 50° 70° filters pyro Cs2Te Reflectivity Rs Rp 17