Kurzfassung
Thema dieser Arbeit ist eine detaillierte Untersuchung der Zusammensetzung und Struktur des oberflächennahen Bereichs von Niob, dem wichtigsten Material für moderne supraleitende Hochfrequenz/-beschleuniger- (SRF) Kavitäten. Es ist von entscheidender Bedeutung, die Folgen der verschiedenen Behandlungen bei der Herstellung der Niob-Kavitäten sowie deren Auswirkungen unter den Bedingungen zu verstehen, die dem realen Betrieb entsprechen. Verschiedene thermische Behandlungen unter Anwesenheit von Stickstoff haben in letzter Zeit bemerkenswerte Leistungssteigerungen der RF Kavitäten erreicht, jedoch sind die damit verbundenen physikalischen und chemischen Phänomene immer noch nicht verstanden.
In dieser Arbeit wurden einkristalline Nb(100) und großkörnige Nb-Oberflächen in und ex-situ während Behandlungen wie den Nitrogen Infusion- und Nitrogen Doping-Verfahren sowie während Behandlungen unter Ultrahochvakuum (UHV) und Wasserstoffatmosphären untersucht.
Eine Vielzahl oberflächensensitiver Techniken wie der Röntgenbeugung unter streifendem Einfall (GIXRD), Röntgenreflektivität (XRR), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), diffuse Röntgenstreuung, Rasterelektronenmikroskopie (SEM), energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) und Atomkraftmikroskopie (AFM) wurden eingesetzt, um detaillierte Informationen über die Bildung neuer Phasen, den Verbrauch natürlicher Oberflächenoxide und das Verhalten von interstitiellen Atomen wie Sauerstoff und Stickstoff unterhalb der Oberfläche zu erhalten.
Die Nitrogen Infusion-Behandlung fördert zunächst die teilweise Reduktion der natürlichen Nb(100)-Oxide, Nb2O5, NbO2 und NbO, in ausschließlich NbO. Bei der Abkühlung auf 120 °C wurden nach Stickstoffdosierung von bis zu 48 Stunden keine Anzeichen für stickstoffreiche Lagen beobachtet. Eine Sauerstoffanreicherung unterhalb der Oxid/Nb-Grenzschicht und eine rückwärtige Diffusion in Richtung der Nb-Matrix wurde beim Heizen bis auf 250 °C im UHV festgestellt. Die Anreicherung von Stickstoff in das System bei 250 °C fördert weder die Stickstoffdiffusion in die Nb-Matrix noch die Bildung von neuen Schichten.
Bei weiterer Erwärmung auf 500 °C in Stickstoffatmosphäre wurde eine NbxNy-Schicht unterhalb der Oberfläche gebildet. Die Nitrogen Doping-Behandlung fördert das Wachstum von kristallinem NbO und β-Nb2N, wobei auch mehrere untergeordnete Phasen wie NbON, NbN und NbNxOy beobachtet werden.
Beim Heizen bei niedriger Temperatur (120-150 °C) in Wasserstoffatmosphäre wurde beobachtet, dass Wasserstoff in Nb eingebracht wurde, was zur Ausscheidung von Niobhydriden beim Abkühlen auf kryogene Temperaturen führte, verbunden mit einer Segregation der interstitiellen Sauerstoffatome zur Oberfläche hin.
Die Bildung solcher Strukturen kann durch Heizzyklen bei 125 °C für zwei Stunden in UHV abgeschwächt werden. Die aus dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse können in realen Kavitätenbehandlungen eingesetzt werden, um die derzeit angewandten Verfahren zu erleichtern.
A detailed study of the near-surface composition and structure of Nb, the current state-of-the-art material for superconducting radio-frequency accelerator (SRF) cavities, is of extreme importance in order to understand the consequences of different treatments applied during their production as well as its effects in conditions resembling real operation. Recently, different thermal treatments involving the presence of nitrogen achieved remarkable performance increases of such devices, however, the physical and chemical phenomena involved are still elusive. In this work, single-crystalline Nb(100) and large-grain Nb surfaces were studied in and ex-situ during notable treatments such as the Nitrogen Infusion and Nitrogen Doping procedures as well as during treatments in UHV and in hydrogen atmospheres. A wide variety of surface sensitive techniques such as Grazing-Incidence X-ray Diffraction (GIXRD), X-ray Reflectivity (XRR), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), X-ray Diffuse Scattering, Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy-dispersive X-ray Spectroscopy (EDX) and Atomic Force Microscopy (AFM) were employed in order to retrieve detailed information on the formation of new phases, consumption of natural surface oxides and on the behavior of subsurface interstitial species such as oxygen and nitrogen. The Nitrogen Infusion treatment first promotes the partial reduction of the native Nb(100) oxides, Nb2O5, NbO2 and NbO, into solely NbO. Upon cooling to 120 °C, no evidence of nitrogen-rich layers was observed after nitrogen exposure times up to 48 hours. An oxygen enrichment below the oxide/Nb interface and posterior diffusion towards the Nb matrix was detected upon annealing up to 250 °C in ultra-high-vacuum (UHV). Nitrogen introduction to the the system at 250 °C promotes neither N diffusion into the Nb matrix nor the formation of new subsurface layers. Upon further heating to 500 °C in nitrogen atmosphere, a new subsurface NbxNy layer was detected. The Nitrogen Doping treatment promotes the growth of crystalline NbO and β-Nb2N, while several minor phases such as NbON, NbN and NbNxOy are also observed. Mild temperature (120-150 °C) annealing in hydrogen atmosphere was observed to introduce hydrogen into Nb, causing the precipitation of niobium hydrides upon cooling to cryogenic temperatures, allied with a segregation of interstitial oxygen atoms towards the surface. The formation of such structures can be mitigated by annealing cycles as low as 125 °C in UHV for 2 hours. The insights provided by this work can potentially be implemented in real cavity treatments in order to facilitate the current employed procedures.