Surface impedance characterization of high-temperature superconducting coated conductors for potential application in the future circular collider beam screen

Abstract

(English) The Future Circular Hadron Collider (FCC-hh) is a proposed hadron-hadron collider, with a center-of-mass collision energy of 100 TeV in an approximately 100-km long circular tunnel, aiming to push the frontiers of particle physics. One of the key elements in such a high-energy accelerator is the beam screen, which shields the cold superconducting magnets from the synchrotron radiation emitted by the proton beams at such high energies, ensures ultra-high vacuum conditions, and provides a low impedance to the circulating beams. Beam impedance depends on the electromagnetic interaction between the fields generated by the proton beam and the beam screen. In the current baseline design, the beam screen is made of 1 mm thick stainless steel plates coated with 0.3 mm of copper (Cu), but its surface impedance may not be low enough to guarantee a stable beam operation. The use of High-Temperature Superconductor (HTS) is thus being considered to improve the beam screen performance, particularly, those based on REBa2Cu3O7−x coated conductors (REBCO-CCs being RE = Y, Gd, Eu). It is therefore essential to estimate the surface impedance of these materials in the range of frequencies (2.1 kHz to 3 GHz), DC magnetic fields (1 to 16 T), and temperature (40-60 K) relevant for their use in the FCC-hh. The experimental characterization at the exact FCC-hh operating conditions is extremely challenging, and the surface impedance has to be inferred at conditions that are feasible with the current experimental capabilities. In this thesis, we have addressed the full characterization of REBCO-CC as possible coatings for the beam screen. The first part presents a system of dielectric resonators to characterize the surface impedance of REBCO-CC materials at conditions as similar as possible to those foreseen in the FCC-hh. Results on representative REBCO-CC samples show the validity of the approach developed, providing surface impedance characterization up to 16 T, in a wide temperature range (4-100 K) and a frequency range between 6 and 15 GHz. The second part evaluates the impact of using REBCO-CC to beam stability by performing calculations of the resistive wall beam impedance using a combination of finite integration techniques and beam coupling impedance theory for beam pipes of general cross-section. To this end, hybrid beam screen models combining REBCO-CC and Cu have been considered. The position of REBCO-CC and the percentage of coverage have been systematically studied to determine the optimum configuration that lowers the resistive wall impedance compared to that presented by Cu, while maintaining the magnetic field homogeneity seen by the beam within the specifications. We demonstrate in this study that it is possible to find a REBCO-CC coverage that improves the performance of the nominal beam screen.

(Català) El Future Circular Hadron Collider (FCC-hh) és un col·lisionador d’hadrons proposat, amb una energia de col·lisió de centre de massa de 100 TeV en un túnel circular d’aproximadament 100 km de longitud, amb l’objectiu d’assolir nous límits en la física de partícules. Un dels elements clau en un accelerador d’alta energia com aquest és la pantalla de feix, que protegeix els imants superconductors freds de la radiació de sincrotró emesa pels feixos de protons a tan altes energies, assegura condicions de ultra alt buit i proporciona una baixa impedància als feixos de partícules circulants. La impedància del feix depèn de la interacció electromagnètica entre els camps generats pel feix de protons i la pantalla de feix. En el disseny de referència actual, la pantalla de feix està feta d’acer inoxidable de 1mm de gruix recobert amb 0.3 mm de coure (Cu), però la seva impedància superficial potser no és prou baixa per garantir una operació estable del feix. Per tant, s’està considerant l’ús de superconductors d’alta temperatura (HTS) per millorar el rendiment de la pantalla de feix, especialment aquells basats en conductors recoberts de REBa2Cu3O7−x (REBCO-CCs sent RE = Y, Gd, Eu). Per tant, és essencial estimar la impedància superficial d’aquests materials en el rang de freqüències (2.1 kHz a 3 GHz), camps magnètics de CC (1 a 16 T) i temperatura (40-60 K) rellevants per al seu ús en el FCC-hh. La caracterització experimental en les condicions de funcionament exactes del FCC-hh és extremadament complexa, i la impedància superficial ha d’inferir-se en condicions que siguin factibles amb les capacitats experimentals actuals. En aquesta tesi, hem abordat la caracterització completa de REBCO-CC com a possibles recobriments per a la pantalla de feix. La primera part presenta un sistema de ressonadors dielèctrics per caracteritzar la impedància superficial dels materials REBCO-CC en condicions el més semblants possibles a les previstes en el FCC-hh. Els resultats sobre mostres representatives de REBCO-CC mostren la validesa de l’enfocament desenvolupat, proporcionant una caracterització de la impedància superficial de fins a 16 T, en un ampli rang de temperatura (4-100 K) i un rang de freqüència entre 6 i 15 GHz. La segona part avalua l’impacte de l’ús de REBCO-CC en la estabilitat del feix realitzant càlculs de la impedància de paret resistiva del feix utilitzant una combinació de tècniques d’integració finita i teoria d’impedància de l’acoblament dels feixos per a tubs de feix de secció transversal general. Per a això, s’han considerat models de pantalla de feix híbrids que combinen REBCO-CC i Cu. La posició de REBCO-CC i el percentatge de cobertura s’han estudiat sistemàticament per determinar la configuració òptima que redueix la impedància de paret resistiva en comparació amb la presentada per Cu, mantenint al mateix temps la homogeneïtat del camp magnètic observat pel feix dins de les especificacions. Demostrem en aquest estudi que és possible trobar una cobertura de REBCO-CC que millori el rendiment de la pantalla de feix nominal.

(Español) El Future Circular Hadron Collider (FCC-hh) es un colisionador de hadrones propuesto, con una energía de colisión de centro de masa de 100 TeV en un túnel circular de aproximadamente 100 km de longitud, con el objetivo de alcanzar nuevos límites en la física de partículas. Uno de los elementos clave en un acelerador de alta energía como éste es la pantalla de haz, que protege los imanes superconductores fríos de la radiación de sincrotrón emitida por los haces de protones a tan altas energías, asegura condiciones de ultra alto vacío y proporciona una baja impedancia a los haces de partículas circulantes. La impedancia del haz depende de la interacción electromagnética entre los campos generados por el haz de protones y la pantalla de haz. En el diseño de referencia actual, la pantalla de haz está hecha de acero inoxidable de 1 mm de espesor recubierto con 0.3 mm de cobre (Cu), pero su impedancia superficial puede no ser lo suficientemente baja para garantizar una operación estable del haz. Por lo tanto, se está considerando el uso de materiales superconductores de alta temperatura (HTS) para mejorar el rendimiento de la pantalla de haz, especialmente aquellas basadas en conductores recubiertos de REBa2Cu3O7−x (REBCO-CCs siendo RE = Y, Gd, Eu). Es esencial estimar la impedancia superficial de estos materiales en el rango de frecuencias (2.1 kHz a 3 GHz), campos magnéticos de CC (1 a 16 T) y temperatura (40-60 K) relevantes para su uso en el FCC-hh. La caracterización experimental en las condiciones de funcionamiento exactas del FCC-hh es extremadamente compleja, y la impedancia superficial debe inferirse en condiciones que sean factibles con las capacidades experimentales actuales. En esta tesis, hemos abordado la caracterización completa de REBCO-CC como posibles recubrimientos para la pantalla de haz. La primera parte presenta un sistema de resonadores dieléctricos para caracterizar la impedancia superficial de los materiales REBCO-CC en condiciones lo más similares posible a las previstas en el FCC-hh. Los resultados sobre muestras representativas de REBCO-CC muestran la validez del enfoque desarrollado, proporcionando una caracterización de la impedancia superficial de hasta 16 T, en un amplio rango de temperatura (4-100 K) y un rango de frecuencia entre 6 y 15 GHz. La segunda parte evalúa el impacto del uso de REBCO-CC en la estabilidad del haz realizando cálculos de la impedancia de pared resistiva del haz utilizando una combinación de técnicas de integración finita y teoría de impedancia de acoplamiento de haces para tubos de haz de sección transversal general. Para ello, se han considerado modelos de pantalla de haz híbridos que combinan REBCO-CC y Cu. La posición de REBCO-CC y el porcentaje de cobertura se han estudiado sistemáticamente para determinar la configuración óptima que reduce la impedancia de pared resistiva en comparación con la presentada por Cu, manteniendo al mismo tiempo la homogeneidad del campo magnético observado por el haz dentro de las especificaciones. Demostramos en este estudio que es posible encontrar una cobertura de REBCO-CC que mejore el rendimiento de la pantalla de haz nominal.