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