Preliminary study of the flow field in a SRF cavity for linac with stereo-PIV technique

The superconductive radio frequency cavities (SRF cavities) in niobium for linear accelerator (linac) need a surface treatment to obtain a very pure, clean and smooth internal walls that directly influence the electromagnetic field generated inside it. The main treatments adopted for this purpose are the BCP (Buffered Chemical Polishing) and the Electropolishing. At L.A.S.A. of INFN is ongoing the production of some prototypes of SRF cavities with five cells that have to undergo a BCP treatment. BCP is a chemical etching of a niobium layer (250 μm) that involves the use of a strong concentrated acids mixture flowing through the cavity. The initial tests carried out at L.A.S.A. have shown at the end of the process some problems as the presence of defects and radial grooves on the surfaces. These imperfections can lead to local increase of temperature and as a consequence loss of superconductivity. To better understand the origin and the development of these phenomena, it is needed to validate the fluid dynamics simulations already performed at L.A.S.A. by means of PIV technique that allows to study the fluid velocity field in the cavity. Considering that the acids mixture is very toxic and dangerous and it cannot be used in laboratory measurements, and PIV is an optical measurement technique that required transparent walls, we need a model of the cavity in transparent material and in geometric and fluid dynamics similarities. Moreover, due to the complex geometry of the model and its curved walls it has to be submerged in a transparent box containing the same fluid flowing through the model that has the same refractive index of the model material (Refractive Index Matching, RIM). At this purpose in this thesis the optical and physical properties of the selected matching fluid (glycerol/water mixture) have been analyzed and the mixture ratio that allow to obtain the RIM has been determined. In order to let fluid continuously flowing in the cavity model as the PIV arrangement works, an hydraulic system has to be designed to guarantee a flow rate and therefore a velocity at the inlet section of the model that satisfy the fluid dynamics similarity. The sizing of the hydraulic system and its concrete arrangement at the Department of Energy of Politecnico di Milano have been presented in this thesis work. As regards PIV measurements, the seeding particles adopted have been analyzed to verify that they respect some practical parameters and faithfully follow the flow (Stokes number). Once described in detail the complete experimental arrangement and its operation, the preliminary measurements results are reported with the corresponding considerations relating also the comparison with the numerical fluid dynamic simulations.

Le cavità risonanti superconduttive a radiofrequenza (SRF cavities) in niobio, per acceleratori lineari (linac), necessitano un trattamento superficiale per ottenere pareti interne il più possibile lisce e senza impurità. Uno dei principali trattamenti utilizzati per questo scopo è il BCP (Buffered Chemical Polishing), che consiste nella rimozione chimica di uno strato di niobio (250 μm) sfruttando una miscela di acidi molto concentrati che fluisce all’interno della cavità. Presso il L.A.S.A. (INFN) è in corso la produzione di prototipi di cavità risonanti con cinque celle che dovranno essere sottoposte al BCP. Le prime prove effettuate hanno rivelato al termine del processo alcuni problemi, come la formazione di difetti e scanalature radiali sulla superficie, in corrispondenza dei quali, durante il funzionamento, si potrebbero verificare aumenti locali di temperatura e di conseguenza perdita di superconduttività. Per capire a fondo l’origine e lo sviluppo di questi fenomeni, occorre validare le simulazioni fluidodinamiche effettuate tramite la tecnica Stereo-PIV (Stereoscopic Particle Image Velocimetry), che permette di studiare il campo di velocità del fluido nella cavità. A questo scopo occorre effettuare le misurazioni su un modello in similitudine geometrica e fluidodinamica con pareti trasparenti, essendo la PIV una tecnica di misura ottica e con un fluido diverso dalla miscela di acidi, in quanto tossica e molto pericolosa. Il fluido scelto inoltre deve svolgere il compito di “matching fluid”, ovvero avere un indice di rifrazione uguale a quello del materiale del modello; questo perché, date la geometria complessa e le superfici curve del modello, si verificherebbe una distorsione della luce all’interfaccia solido/liquido con conseguenti errori di misura. La soluzione è quindi la tecnica RIM (Refractive Index Matching), realizzata ponendo il modello in un contenitore trasparente riempito con lo stesso fluido circolante in esso e con uguale indice di rifrazione. Nella presente tesi sono state analizzate le proprietà ottiche e fisiche del fluido scelto (miscela acqua/glicerina), calcolando la composizione della miscelata che garantisce la realizzazione del RIM alle condizioni a cui si svolgeranno le prove sperimentali. Per far scorrere continuamente il fluido nel modello occorre realizzare un impianto idraulico che garantisca una portata in ingresso ad esso che soddisfi la similitudine fluidodinamica. In questa tesi è trattato quindi il dimensionamento del sistema idraulico e la sua realizzazione concreta nei laboratori del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano. Per quanto concerne l’attuazione della PIV, è stato analizzato il seeding utilizzato, in modo da verificare che rispetti alcuni parametri sperimentali e che segua fedelmente il flusso (Stokes number) Una volta descritto in dettaglio l’apparato sperimentale completo predisposto per la PIV ed il suo funzionamento, si riportano i risultati preliminari delle misurazioni effettuate.