एससीआरएफ गुहिका अभिलक्षणन एवं निम्नतापीय अनुभाग
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पदार्थ अभिलक्षणन सुविधा
गुहिका विकास से संबंधित मुद्दों का विश्लेषण करने के लिए एक पदार्थ अभिलक्षणन सुविधा स्थापित की गई है। सुविधा में सम्मिलित हैं -
टाइम ऑफ फ्लाइट द्वितीयक आयन द्रव्यमान स्पेक्ट्रम मापी (TOF-SIMS)
टाइम ऑफ फ्लाइट द्वितीयक आयन द्रव्यमान स्पेक्ट्रम मापी (TOF-SIMS) विभिन्न प्रसंस्करण चरणों के बाद उच्च शुद्धता निओबियम (Nb) नमूनों में अशुद्धता वितरण का विश्लेषण करने में सक्षम है। चित्र में दिखाई देता है कि कोलाइडल सिलिका पॉलिशिंग द्वारा तैयार किए गए नाइओबियम नमूने की गहराई में विभिन्न अशुध्हिओं (जैसे H, C, O, NbO) की तीव्रता में भिन्नता है। विश्लेषण के लिए स्पंदित बिस्मथ आयन गन और स्पटरिंग के लिए सीज़ियम आयन गन के साथ सतह पर बारी-बारी से बमबारी करके नमूने की गहराई की प्रोफाइल प्राप्त की गई थी।
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द्वितीयक आयन द्रव्यमान स्पेक्ट्रम मापी |
निओबियम नमूने में अशुद्धिओं की गहराई का प्रोफ़ाइल , कुल गाहराई = 50 nm (लगभग) |
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सार्वभौमिक परीक्षण मशीन
± 50kN सार्वभौमिक परीक्षण मशीन, प्लास्टिक स्ट्रेन अनुपात और 9-सेल एसआरएफ गुहिका की कठोरता के साथ-साथ तन्यता नमूनों के यांत्रिक गुणों को मापने में सक्षम है। चित्र, उच्च शुद्धता निओबियम शीट से एक तनन नमूने के स्ट्रैस-स्ट्रेन वक्र को दर्शाता है। यील्ड स्ट्रेंथ (YS), टेन्साइल स्ट्रेंथ (UTS), यूनिफॉर्म इलंगेशन (Eu) और स्ट्रेन हार्डनिंग एक्सपोनेंट (n) क्रमशः 45 MPa, 151 MPa, 30% और 0.3 पाए गए।
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सार्वभौमिक परीक्षण मशीन |
उच्च शुद्धता निओबियम की मैकेनिकल प्रापर्टीएस |
एससीआरएफ गुहिका निरीक्षण सुविधा
3 डी लेजर स्कैनिंग कन्फोकल माइक्रोस्कोप
गुहिका में त्रुटियों के निरीक्षण के लिए 3 डी लेजर स्कैनिंग कोन्फोकल माइक्रोस्कोप के साथ एक निरीक्षण सुविधा स्थापित की गई है। माइक्रोस्कोप में 10 नैनोमीटर की गहराई का विभेदन होता है। कक्ष तापमान वल्कनित करने वाले (आरटीवी) पॉलीमर का उपयोग करके गुहिका की आंतरिक सतह पर संदिग्ध स्थानों पर प्रतिकृति सांचा बनाने के लिए प्रतिकृति सांचा बनाने की सुविधा भी स्थापित की गई है। इन सांचों का विश्लेषण 3डी लेजर स्कैनिंग कोन्फोकल माइक्रोस्कोप का उपयोग करके किया जाता है। एसआईएमएस (SIMS) सुविधा का उपयोग करके परीक्षण किए गए नमूनों की गहराई से प्रोफाइलिंग के लिए भी माइक्रोस्कोप उपयोगी है।
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3 डी लेजर स्कैनिंग कन्फोकल माइक्रोस्कोप |
आप्टिकल निरीक्षण सुविधा
1.3 GHz 9-सेल/650 MHz 5-सेल अतिचालक आरएफ गुहिका का आंतरिक निरीक्षण करने के लिए एक आप्टिकल निरीक्षण बेंच को स्वदेशी रूप से विकसित किया गया है। सेटअप 40 माइक्रोमीटर/पिक्सेल तक के लक्षणों को माप सकता है और गुहिकाओं एवं वेल्ड बीड की आंतरिक सतह पर त्रुटियों का विश्लेषण करने के लिए छवियों को रिकॉर्ड कर सकता है। प्रदीप्ति के लिए तीन रंगों की एलईडी लाइट्स का उपयोग किया जाता है।
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5-सेल अतिचालक आरएफ गुहिका का आप्टिकल निरीक्षण सुविधा पर आंतरिक निरीक्षण होते हुए
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5-सेल अतिचालक आरएफ गुहिका के इकुयटर पर स्थित वेल्ड बीड का दृश्य |
एससीआरएफ गुहिका प्रसंस्करण सुविधा
उच्च एक्सलेरेटिंग ग्रेडिएंट (> 25 MV/m) के साथ एसआरएफ गुहिकाओं का उत्पादन करना एक चुनौतीपूर्ण कार्य है। उच्च-प्रदर्शन वाली गुहिकाओं के एक विश्वसनीय उत्पादन को प्राप्त करने के लिए, गुहिका के प्रदर्शन में भिन्नता का अवलोकन करने के लिए एक टाइट-लूप कार्यक्रम में संयोजन प्रसंस्करण और प्रदर्शन परीक्षण आवश्यक होते हैं। यह आवश्यक है कि एसआरएफ गुहिका की आवश्यक एक्सलेरेटिंग ग्रेडिएंट और गुणवत्ता कारक को बार-बार उत्पादित किया जाए। गुहिका प्रसंस्करण में चिकनी आरएफ सतहों का उत्पादन करने के लिए अपकेंद्री बैरल पॉलिशिंग (सीबीपी) और इलेक्ट्रो-पॉलिशिंग (ईपी), गुहिका की सतहों से कणों को हटाने के लिए हाई प्रेशर रिंस (एचपीआर) स्टेशन और हाइड्रोजन को हटाने के लिए वैक्यूम फर्नेस सम्मिलित हैं। विकसित गुहिका प्रसंस्करण सुविधाओं की प्रमुख उप प्रणालियाँ निम्नानुसार हैं:
अपकेंद्री बैरल पॉलिशिंग मशीन
बड़े पैमाने पर परिष्करण कार्यों (सीबीपी एवं ईपी) द्वारा एसआरएफ गुहिका में ऊपरी सतह की परत को 100-150 माइक्रोन तक हटा दिया जाता है। बैरल पॉलिशिंग का उपयोग करके कुछ नैनोमीटर की सतह फिनिश प्राप्त की जाती है। दो अपकेंद्री बैरल पॉलिशिंग मशीनें स्थापित की गईं हैं। एक सिंगल-सेल 1.3 GHz गुहिका को पॉलिश कर सकती है। इस मशीन का उपयोग बड़े पैमाने पर अनुसंधान एवं विकास के उद्देश्य हेतु किया जाता है। बड़ी मशीन नौ-सेल 1.3 GHz और पांच-सेल 650 MHz एसआरएफ गुहिकाओं को पॉलिश कर सकती है। मशीन को चार एसआरएफ गुहिकाएं समायोजित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। बैरल और टरेट दोनों के लिए घूर्णन गति 0 से 200 आरपीएम तक अलग-अलग हो सकती है। गुहिका की बैरल पॉलिशिंग के लिए पानी के साथ सिरेमिक और प्लास्टिक की फिनिशिंग मीडिया का उपयोग किया जाता है। प्रारंभ में, सामग्री को हटाने के लिए खुरदुरे सिरेमिक मीडिया का उपयोग किया जाता है, उसके बाद पॉलिश करने के लिए महीन प्लास्टिक मीडिया का उपयोग किया जाता है।
सिंगल-सेल 1.3 GHz SRF गुहिका के लिए बैरल पॉलिशिंग मशीन
मल्टी-सेल SRF गुहिका के लिए बैरल पॉलिशिंग मशीन
इलेक्ट्रोपोलिशिंग सेट-अप
इलेक्ट्रो पॉलिशिंग (ईपी) एनोडिक विलयनन द्वारा गुहिका की सतह से निओबियम की पतली परतों को हटाने की एक विद्युत-रासायनिक विधि है। बुनियादी इलेक्ट्रो-पॉलिशिंग के मूलभूत सेट-अप में, गुहिका एनोड है और एक खोखली समाक्षीय एल्यूमीनियम ट्यूब कैथोड है, जिसे गुहिका अक्ष के साथ रखा जाता है। इलेक्ट्रोलाइट, हाइड्रोफ्लोरिक (HF) और सल्फ्यूरिक एसिड (H2SO4) का एक मिश्रण है। निओबियम गुहिकाओं के इलेक्ट्रो-पॉलिशिंग के लिए एक क्षैतिज कंटीनुयस इलेक्ट्रो-पॉलिशिंग सेटअप विकसित किया गया है।
इलेक्ट्रोपोलिशिंग सेट-अप
उच्च दबाव रिंसिंग सेट-अप
उच्च क्षेत्र अतिचालक गुहिकाओं की सतह की तैयारी के लिए उच्च दबाव रिंसिंग (HPR) एक अति- स्वच्छता प्रक्रिया है। इस प्रक्रिया में अल्ट्रा-शुद्ध जल के उच्च दबाव जेट, गुहिका सतहों से दूषित पदार्थों को हटाते हैं जो पारंपरिक रिंसिंग प्रक्रियाओं से सामान्य रूप से नहीं हटाए जा सकते हैं, जिससे क्षेत्र उत्सर्जन में पर्याप्त कमी होती है तथा गुहिका का प्रदर्शन और भी अच्छा होता है। इस उद्देश्य के लिए एक रिंसिंग सेट-अप विकसित किया गया है। सेट-अप में एक रेखीय गति प्रणाली शामिल है जो 1.4 मीटर लंबी 5-सेल 650 मेगाहर्ट्ज गुहिका को 5 से 500 मिमी प्रति मिनट की गति से ऊर्ध्वाधर ऊपर और नीचे ले जाने में सक्षम है और 2 से 20 आरपीएम पर पानी के जेट को घुमाने के लिए एक रोटरी तंत्र है जो एक ऊर्ध्वाधर पाइप के अंत में लगे बारीक नोजल टिप्स से निकलता है। रोटरी जॉइंट से उत्पन्न किसी भी तरह के संदूषित कणों को हटाने के लिए नोजल से पहले 0.05 माइक्रोन रेटिंग का वाटर फिल्टर दिया गया है। एक सिरेमिक पिस्टन पंप का उपयोग 100 बार दबाव के पानी के जेट के उत्पादन हेतु किया जाता है। चित्र में दिखाया गया सेट-अप 10 श्रेणी (आईएसओ श्रेणी 4 ) के क्लीन रूम में स्थापित है।
उच्च दबाव रिंसिंग सेट-अप
थर्मल प्रसंस्करण सुविधा
इलेक्ट्रो पॉलिशिंग के दौरान, हाइड्रोजन के बुलबुले Nb सतह के सीधे संपर्क में आते हैं जो हाइड्रोजन के अवशोषण को बढ़ाते हैं। Nb सतह/बल्क में 100 से अधिक परमाणु पीपीएम हाइड्रोजन घुलने के साथ, कूल-डाउन (लगभग 100 K पर) के दौरान नायोबियम हाइड्राइड अवक्षेपण की संभावना है। इसके परिणामस्वरूप उच्च एक्सलेरेटिंग ग्रेडिएंट पर गुहिका का गुणवत्ता कम हो जाती है। 2-3 घंटे के लिए 800°C पर या 4-6 घंटों के लिए 600°C पर फर्नस उपचार बल्क` और सतही परत में कुछ परमाणु पीपीएम तक हाइड्रोजन सांद्रण को कम कर देता है। नायोबियम अतिचालक आरएफ गुहिकाओं के थर्मल प्रसंस्करण के लिए, एक समर्पित उच्च निर्वात एनीलिंग फर्नस स्थापित की जा चुकी है।
फर्नस का व्यास 825 मिमी और 1525 मिमी लंबाई का एक गर्म क्षेत्र है जिसका अधिकतम तापमान 1400°C और तापमान स्थिरता ± 5 डिग्री सेल्सियस है।
उच्च निर्वात अनीलिंग फर्नेस
निम्न ताप बेकिंग सुविधा
निम्न ताप बेकिंग सुविधा
उच्च दबाव रिंसिंग एवं गुहिका असेंबली के लिए आईएसओ श्रेणी 4 की क्लीन रूम सुविधा
कैविटी प्रोसेसिंग लैब बिल्डिंग में एक नई आईएसओ श्रेणी -4 क्लीनरूम सुविधा उच्च दबाव रिंसिंग, सुखाने और मल्टी-सेल एसआरएफ गुहाओं के संयोजन के लिए स्थापित की गई है। क्लीनरूम को आईएसओ 14644 के अनुसार डिजाइन, निर्मित और मान्य किया गया है। क्लीनरूम को वायु गुणवत्ता के 2 वर्गों में विभाजित किया गया है, क्लास आईएसओ 4 और आईएसओ 6। क्लीनरूम में एक दिशा में संचालित होने वाले लैमिनर फ्लो को सुनिश्चित करने के लिए, सीलिंग माउंटेड ULPA / HEPA से फ़िल्टर की गई हवा की आपूर्ति की जाती है। फिल्टर फर्श पैनलों के माध्यम से वापसी वायु प्रवाह की अनुमति देने के लिए क्लीनरूम क्षेत्रों में एक छिद्रित फर्श है। क्लीनरूम के अंदर का दृश्य और कैविटी की तैयारी और असेंबली के चित्र नीचे दिखाए गए हैं।
आईएसओ श्रेणी -4 क्लीनरूम का आंतरिक दृश्य
5-सेल 650 मेगाहर्ट्ज निओबियम गुहिका की अससेंबली
अति-शुद्ध जल संयंत्र
5-सेल 650 मेगाहर्ट्ज कैविटी के फाइनल रिन्सिंग के लिए ~ 10000 लीटर अति-शुद्ध जल (UPW ) की आवश्यकता होती है। इस मांग को पूरा करने के लिए 2500 लीटर की भंडारण क्षमता वाला 800 एलपीएच उत्पादन क्षमता वाला अति-शुद्ध जल संयंत्र स्थापित किया गया है। शुद्धिकरण की योजना प्री-ट्रीटमेंट, दो पास आरओ, ईडीआई, मिश्रित बेड रेजिन मॉड्यूल, अल्ट्राफिल्ट्रेशन और पराबेगनी शुद्धिकरण पर आधारित है, जिसमें इसकी शुद्धता बनाए रखने के लिए संग्रहीत अल्ट्राप्योर पानी के पुनर्चक्रण के प्रावधान हैं। UPW के पैरामीटर नीचे तालिका में दिए गए हैं:
पैरामीटर |
मान |
प्रतिरोधकता |
≥ 18 मेगा –ओम से.मी. |
टी ओ सी (TOC) |
< 30 पी पी बी |
कुल बैक्टीरिया गणना |
< 1 सी एफ यू /100 मिलिलीटर |
एससीआरएफ परीक्षण सुविधा
ऊर्ध्वाधर परीक्षण स्टैंड सुविधा (वी टी एस )
सुपरकंडक्टिंग लिनैक के क्रायोमॉड्यूल में स्थापना से पहले एसआरएफ गुहाओं को उनके प्रदर्शन के लिए योग्य होना चाहिए। सबसे पहले, अनाच्छादित गुहाओं का परीक्षण ऊर्ध्वाधर परीक्षण स्टैंड (वीटीएस) में 2 केल्विन तापमान पर तरल हीलियम में डुबा कर किया जाता है। वीटीएस में अर्हता प्राप्त गुहाओं को उनके सहायक उपकरणों जैसे हीलियम पात्र, एचओएम कप्लर्स, कोल्ड ट्यूनर और मुख्य कपलर के साथ तैयार किया जाता है। इन सुसज्जित गुहाओं का परीक्षण हॉरिजॉन्टल टेस्ट स्टैंड (एचटीएस) में किया जाता है।
ऊर्ध्वाधर परीक्षण स्टैंड में एक बड़े आकार का तरल हीलियम क्रायोस्टेट, एक आरएफ पावर आपूर्ति और नियंत्रण प्रणाली, और एक तरल हीलियम (एलएचई) और तरल नाइट्रोजन (एलएन 2) पाइपिंग सिस्टम होता है। एसआरएफ गुहा का परीक्षण क्वालिटी फेक्टर (क्यू) और एक्सलेरेशन ग्रेडिएंट (ई) मापने के लिए ४.२ केल्विन और २ केल्विन तापमान पर किया जाता है।
एक तरल हीलियम क्रायोस्टेट असेंबली में एक ASME कोड द्वारा प्रमाणित स्टेनलेस स्टील हीलियम पात्र, हीलियम के प्रवाह के लिए प्रक्रिया ट्यूबिंग शामिल है। हीलियम पात्र और हीलियम टयूबिंग एक तरल नाइट्रोजन कूल्ड थर्मल शील्ड से परिरक्षित होते हैं। तरल हीलियम पात्र और थर्मल शील्ड की असेंबली ऊष्मा के रिसाव को कम करने के लिए बहुपरत सुपर-इन्सुलेशन में लिपटे स्टेनलेस-स्टील इन्सुलेटिंग वैक्यूम पात्र के अंदर की गई है। क्रायोस्टेट का व्यास 1370 मिमी और लंबाई 5420 मिमी है। क्रायोस्टेट को तरल हीलियम, तरल नाइट्रोजन और एक समानांतर प्लेट वैक्यूम रिलीफ वाल्व की आपूर्ति के लिए क्रायोजेनिक नियंत्रण वाल्व के साथ लगाया गया है। क्रायोस्टेट असेंबली का एक स्कीमैटिक चित्र नीचे दिखाया गया है:
वी टी एस क्रायोस्टेट असेंबली का स्कीमैटिक चित्र
कैविटी इंसर्ट असेंबली, टेस्टिंग के दौरान लिक्विड हीलियम बाथ में कैविटी को सपोर्ट करती है। इसमें आरएफ केबल्स, सक्रिय गुहा वैक्यूम पंपिंग और गुहा निदान के लिए कनेक्शन के लिए कई पोर्ट्स के साथ एक स्टेनलेस स्टील टॉप प्लेट शामिल है। क्रायोस्टेट असेंबली को एक गड्ढे में जमीनी स्तर से नीचे स्थापित किया गया है। एसआरएफ गुहाओं के परीक्षण के दौरान गड्ढे को एक विकिरण परिरक्षण ढक्कन के साथ कवर किया गया है।
गुहा क्षेत्र में अवशिष्ट चुंबकीय क्षेत्र को 1μT से कम करने के लिए क्रायोस्टेट में बेलनाकार चुंबकीय ढाल की दो परतों को शामिल किया गया है। बाहरी परत 1 मिमी मोटी म्यु मेटल से बनाई गई है और आंतरिक ढाल नीचे की तरफ छिद्रित अंत टोपी के साथ 1 मिमी मोटी अम्मुनेल 4 के (ए 4 के) से बनाई गई है।
वी टी एस क्रायोस्टेट असेंबली
650 MHz गुहिका इन्सर्ट की वी टी एस के साथ असेंबली
वी टी एस सुविधा
क्षैतिज परीक्षण सुविधा
क्षैतिज परीक्षण स्टैंड (एचटीएस) सुविधा 2 केल्विन तापमान पर पांच सेल 650 मेगाहर्ट्ज सुपरकंडक्टिंग आरएफ (एससीआरएफ) गुहाओं के उच्च शक्ति परीक्षण के लिए रा रा प्र पौ के में चालू की गई है। एचटीएस सुविधा में क्रायोस्टेट, क्रायोजेनिक वितरण प्रणाली, उच्च शक्ति आरएफ प्रणाली, 2 केल्विन पंपिंग प्रणाली, निम्न स्तर आरएफ नियंत्रण, आरएफ सुरक्षा और इंटरफेस, नियंत्रण और सुरक्षा प्रणाली आदि शामिल हैं। क्रायोस्टेट एक साथ दो एससीआरएफ गुहाओं को ठंडा करने में सक्षम है। तरल नाइट्रोजन और हीलियम की आपूर्ति क्रायोस्टेट को संस्थान में ही निर्मित क्रायोजेनिक ट्रांसफर लाइनों के माध्यम से की जाती है। एचटीएस में पांच सेल 650 मेगाहर्ट्ज ड्रेस्ड एससीआरएफ कैविटी का सफलतापूर्वक परीक्षण किया गया। इस परीक्षण के दौरान गुहा को पहले 20 घंटे से अधिक के लिए कन्डीशनिंग किया गया था, 20 हर्ट्ज की पल्स पुनरावृत्ति दर पर 40% तक कर्तव्य चक्र और 22 किलोवाट तक की शक्ति के साथ। कंडीशनिंग के बाद सीडब्ल्यू (इंसीडेंट पावर 8.8 kW) में 14.8 MV/m तक और स्पंदित मोड में 19.9MV/m (20 Hz, 40% ड्यूटी साइकिल और 22 kW इंसिडेंट पावर के साथ) के ग्रेडिएंट्स पर कंडिशनिंग कैविटी संचालित की गई थी।
सुपरकंडक्टिंग कैविटी के विकास में एचटीएस की सफल कमीशनिंग एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर है क्योंकि यह रा रा प्र पौ के में सुपरकंडक्टिंग गुहाओं के निर्माण, प्रसंस्करण, ट्यूनिंग, ड्रेसिंग और परीक्षण के पूर्ण विकास चक्र को पूरा करता है।
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क्रायोजेनिक परिपथ का प्रशीतन
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एचटीएस में परीक्षण के लिए तैयार कैविटी तैया |
समय के साथ तरल हीलियम स्तर और गुहा तापमान
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संस्थान में निर्मित क्यायोजनिक आपूर्ति लाइनें |
