Etude de la contamination en hydrogène du niobium destiné à la construction de cavités résonnantes supraconductrices : modélisation de la diffusion de l'hydrogène par dynamique moléculaire

par Bruno Roux

Thèse de doctorat en Sciences. Chimie des matériaux

Sous la direction de Noëlle Chevarier.

Soutenue en 1993

à Lyon 1 .

Le jury était composé de Noëlle Chevarier.

mots clés

• Niobium
• Hydrogène
• Supraconducteurs
• Cavités résonnantes (microondes)
• Accélérateurs d'électrons
• Dynamique moléculaire

Résumé

La technique des cavites hyperfrequences supraconductrices a ete choisie pour la plupart des futurs accelerateurs de particules. En ce qui concerne les cavites en niobium massif, une degradation de leurs proprietes supraconductrices liee aux conditions de refroidissement a ete observee dans differents laboratoires. L'hydrogene semble la principale cause de cette degradation. Pour etudier l'influence des differents traitements de surface sur la contamination en hydrogene, des profils de concentration ont ete effectues par erda sur une profondeur de 200 nm a partir de la surface et avec une resolution de 30 nm. Afin d'ameliorer la resolution en profondeur de cette technique, une discrimination alpha-hydrogene a ete entreprise en utilisant un champ electromagnetique croise exb. Ces resultats ont mis en evidence une segregation de l'hydrogene a la surface du niobium, resultats en totale contradiction avec les valeurs experimentales tres elevees du coefficient de diffusion de l'hydrogene. Pour comprendre les mecanismes de piegeage de l'hydrogene, une modelisation par dynamique moleculaire de la diffusion de cette impurete dans le niobium a ete realisee. Cette approche necessite la connaissance des differents potentiels d'interaction des elements en presence. Les parametres de ces potentiels ont ete ajustes a l'aide de criteres statiques et dynamiques. Pour l'interaction nb-nb, il a ete choisi un potentiel a n-corps. Le potentiel nb-h a ete pris sous la forme d'une interaction a deux corps. Le trace du diagramme d'arrhenius du coefficient de diffusion obtenu par dynamique donne pour un monocristal une energie d'activation faible comparativement a celle mesuree experimentalement. Cependant une simulation en presence de defauts met en evidence une variation notable de cette valeur. C'est seulement a une temperature d'environ 1000 k que la diffusion de l'hydrogene n'est pas modifiee par la presence de defauts dans le cristal. Cette remarque confirme le resultat des experiences concernant les bonnes caracteristiques des cavites supraconductrices apres traitements thermiques

Titre traduit

Study of hydrogen contamination of niobium intended for the construction of rf supraconductice cavities. Modelisation of the diffusion of hydrogen by molecular dynamics

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