Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/14775
Title: Thermo-mechanical behaviour of the super accelerating structures of the compact linear collider (CLIC)
Other Titles: Θερμομηχανική συμπεριφορά των επιταχυντικών δομών του ευθύγραμμου επιταχυντή ηλεκτρονίων
Authors: Ξυδού, Αναστασία
Keywords: Accelerating structures
Diffusion bonding
Compact Linear Collider (CLIC)
Copper (Cu)
Molecular dynamics simulations
Keywords (translated): Συγκόληση διάχυσης
Επιταχυντές σωματιδίων
Χαλκός
Abstract: This thesis aims to determine optimal parameters for the diffusion bonding process which is used as a main step in the fabrication work-flow of the accelerating structures. The focus is on investigating the minimum necessary pressure during the heating cycle of the diffusion bonding, in order to acquire a good bonded joint but at the same time avoid any excessive deformations and preserve the micro-precision tolerances. As an additional parameter, the flatness and shape of the bonding samples have been examined in order to determine the optimum tolerances and bring the fabrication cost down. The RF tuning method \cite{shi2010tuning} allows for internal volume variations after the bonding procedure and therefore can compensate for these errors. Nevertheless, the final design of CLIC RF structures does not foresee this tuning step and, consequently, these assembly errors must be predicted and reduced already in the design phase. In this respect, diffusion bonding tests were conducted with disks made of OFE Oxygen-Free Electronic Copper (Cu-OFE) with variable geometries, values of applied pressure and interface flatness. A series of experimental tests was performed in order to qualify the bonded joints; including ultrasonic examination, crystallographic analysis of the interfaces as well as tensile tests. The results of the tensile tests are validated with finite element simulations by using fracture mechanics theory. The results of the deformations are compared with an analytical approach which uses creep mechanisms so as to predict the permanent deformations after the heating cycle. In order to address several questions that are related to the bonded joint, a further analysis on the atomic level using Molecular Dynamics (MD) simulations was required. Several simulations where conducted with Cu atoms and the influence of temperature and pressure had been investigated on the time needed for nano-scale voids to be filled. Those voids represent the roughness (Ra) of two surfaces in contact before the heating process. The main aim of this study was to extrapolate the findings of the simulations in voids of nano-meter range to micro-meter voids size. Therefore, a formula which calculates the closing time in bigger void sizes and different temperatures had been invented. In parallel, calculations of the diffusion coefficient in the group of atoms which belong to the GBs, verify a well known creep law and adds even more value in the simulated results. Going a step further the aspect of applied pressure together with the high temperature is examined for crystals with the same crystallographic orientation.
Abstract (translated): Η διατριβή αυτή στοχεύει στον προσδιορισμό των βέλτιστων παραμέτρων για τη διαδικασία συγκόλλησης διάχυσης που χρησιμοποιείται ως βασικό βήμα για την κατασκευή των επιταχυντών σωματιδίων. Το επίκεντρο είναι η διερεύνηση της ελάχιστης απαραίτητης πίεσης κατά τη διάρκεια του θερμικού κύκλου της συγκόλλησης διάχυσης, προκειμένου να επιτευχθεί ένας καλός σύνδεσμος, αλλά ταυτόχρονα να αποφευχθούν τυχόν υπερβολικές παραμορφώσεις και να διατηρηθούν οι ανοχές μικρο-ακρίβειας. Ως πρόσθετη παράμετρος, η επιπεδότητα και το σχήμα των δειγμάτων συγκόλλησης εξετάστηκαν προκειμένου να προσδιοριστούν οι βέλτιστες ανοχές και να μειωθεί το κόστος κατασκευής. Η μέθοδος συντονισμού ραδιοσυχνότητας που εφαρμόζεται μετά τη διαδικασία συγκόλλησης, επιτρέπει τις εσωτερικές μεταβολές έντασης και επομένως μπορεί να αντισταθμίσει αυτά τα σφάλματα. Ωστόσο, κατά τον τελικό σχεδιασμό των κατασκευών του ευθύγραμμου επιταχυντή ηλεκτρονίων, δεν προβλέπεται αυτό το βήμα συντονισμού και, κατά συνέπεια, αυτά τα σφάλματα συναρμολόγησης πρέπει να προβλεφθούν και να μειωθούν ήδη από τη φάση του σχεδιασμού. Από αυτή την άποψη, διεξήχθησαν δοκιμές σύνδεσης διάχυσης με δίσκους αποτελούμενους από χαλκό % με απλή και γεωμετρία RF, με μεταβλητές γεωμετρίες, τιμές εφαρμοζόμενης πίεσης και τραχύτητα στη διεπιφανειά τους. Πραγματοποιήθηκε μια σειρά πειραματικών δοκιμών προκειμένου να ποσοτικοποιηθεί η συγκόληση μεταξύ των επιφανειών κάνοντας χρήση των υπερήχων, της κρυσταλλογραφικής ανάλυσης των διεπαφών καθώς και των πειραμάτων εφελκυσμού. Τα αποτελέσματα των δοκιμών εφελκυσμού επικυρώνονται με προσομοιώσεις πεπερασμένων στοιχείων χρησιμοποιώντας τη θεωρία μηχανικής θραύσης. Τα αποτελέσματα των παραμορφώσεων συγκρίνονται με μια αναλυτική προσέγγιση που χρησιμοποιεί μηχανισμούς ερπυσμού ώστε να προβλέψουμε τις μόνιμες παραμορφώσεις μετά τον θέρμικό κύκλο. Προκειμένου να αντιμετωπιστούν πολλά ερωτήματα που σχετίζονται με τη συνδεδεμένη άρθρωση, απαιτείται περαιτέρω ανάλυση σε ατομικό επίπεδο χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής. Έχοντας αυτό σα γνόμωνα, πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις με άτομα χαλκού, όπου μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας καθώς και της πίεσης σε σχέση με τον απαιτούμενο χρόνο που απαιτείται για την πλήρωση κενών νανο-κλίμακας. Αυτά τα κενά αντιπροσωπεύουν την τραχύτητα δύο επιφανειών σε επαφή πριν από τη διαδικασία θέρμανσης. Ο κύριος στόχος αυτής της μελέτης ήταν να επεκταθούν τα ευρήματα των προσομοιώσεων από κενά εύρους νανομέτρων σε μέγεθος κενών μικρομέτρων. Επομένως, εφευρέθηκε ένας τύπος που υπολογίζει το χρόνο κλεισίματος σε μεγαλύτερα μεγέθη κενού και διαφορετικές θερμοκρασίες. Παράλληλα, οι υπολογισμοί του συντελεστή διάχυσης στην ομάδα ατόμων που ανήκουν στα όρια των κόκκων, επαληθεύουν έναν γνωστό νόμο ερπυσμού και προσθέτουν ακόμη μεγαλύτερη αξία στα προσομοιωμένα αποτελέσματα. Προχωρώντας ένα βήμα παραπέρα, η επιροή της εφαρμοζόμενης πίεσης σε συνδυασμό με την υψηλή θερμοκρασία εξετάζεται για κρυστάλλους με τον ίδιο κρυσταλλογραφικό προσανατολισμό.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχαν. (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Nemertes_Xydou(aer).pdf7.86 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.