Studio di superconduttori ad alta temperatura a base di tallio

Abstract

Il tallio-1223 è un superconduttore ad alta temperatura di tipo II con un’elevata linea di irreversibilità e una Tc di circa 120 K che ha suscitato interesse come potenziale sostituto del rame nei rivestimenti schermanti del Future Circolar Collider (FCC-hh). Gli attuali rivestimenti in rame presentano una resistenza superficiale troppo elevata nell’intervallo di temperatura di funzionamento del FCC, compreso tra 40-60 K e 100-120 K, per il quale i superconduttori ad alta temperatura potrebbero dimostrarsi un valido sostituto. L’obiettivo principale di questa tesi era trovare un metodo coerente per la produzione della fase Tl-1223 e, per raggiungerlo, sono state preparate multiple miscele con varie differenze di temperatura e pressione parziale di ossigeno; queste miscele sono state poi caratterizzate attraverso molteplici processi di analisi, in particolare analisi SEM, caratterizzazione magnetica tramite un magnetometro SQUID, e analisi XRD combinata con il metodo Rietveld per identificare le fasi presenti nei composti. Il principale risultato di questa analisi è l’identificazione di una finestra del tallio-1223 in cui la fase si forma con un buon grado di purezza. Ciò consentirà un’esplorazione completa delle proprietà di trasporto del materiale, concentrandosi specificamente sulla resistenza superficiale in condizioni estreme, che è fondamentale per valutare la fattibilità di integrare questo materiale nei rivestimenti schermanti del fascio dell’acceleratore.

Thallium-1223 is a type II high-temperature superconductor with a high irreversibility line and a Tc of ∼120 K that has sparked interest in potentially substituting copper in screen-beam coatings for the Future Circular Collider (FCC-hh). Current copper screens present a surface resistance that is too high in the operating temperature range of the FCC, between 40-60 K and 100-120 K, for which only HTSs may prove a valuable substitute. The main objective of this thesis is to find a consistent method for the synthesis of the superconductive Tl-1223 phase. Multiple compounds were prepared, varying the annealing conditions, such as the temperature and the oxygen partial pressure. These compounds were then characterized via multiple analysis processes, namely SEM analysis, magnetic characterization via a SQUID magnetometer, and XRD analysis combined with Rietveld refinement to identify and characterize the phases present in detail. The primary outcome of this analysis is the identification of a Thallium-1223 window where the phase can form with a good degree of purity. These results will enable a comprehensive exploration of the material's transport properties, mainly focusing on surface resistance under extreme conditions. This is imperative for evaluating the feasibility of integrating this material into the accelerator's beam screen.