DE1927825C - Verfahren zur Herstellung von supraleitenden Hohlraumresonatoren, insbesondere für Teilchenbeschleuniger - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel- schichten vom Kupferträger abzulösen und erst dann lung von supraleitenden Hohlraumresonatoren, ins- zu glühen. Dies erfordert jedoch sehr dicke Niob-

besondere für Teilchenbeschleuniger, durch Abschei- schichten und damit lange Abscheidezeiten und ist

dung einer Niobschicht auf der Oberfläche einer mit hohem technischen Aufwand verbunden. Ferner

metallischen Tragerstrukiur. 5 tritt dabei die zusätzliche Schwierigkeit auf, daß sich

Bei supraleitenden Hohlraumresonatoren, insbe- die nach dem Ablösen vom Kupferträger freitragen-

sondere für Teilchenbeschleuniger, wird die Supra- den Niobschichten bei den erforderlichen hohen

leitfähigkeit einer Oberflächenschicht aus Supra- Glühtemperaturen und !ongen Glühzeiten Jurch

leitermaterial ausgenutzt. Niob ist dabei als Supra- Kriechen leicht verformen, was wegen der üblicher-

leitermaterial besonders gut geeignet. In der supra- ίο weise sehr kleinen Toleranzen für die Dimensionen

leitenden Oberflächenschicht findet beim Betrieb der der Resonatorkavitäten zu großen Unzuträglichkeiten

Hohlraumresonatoren Hochfrequenzabsorption statt. führt.

Um diese Hochfrequenzabsorption und damit die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum

Verlustleistung klein zu halten, soll die Oberflächen- Herstellen von supraleitenden Hohlraumresonatoren

schicht möglichst homogen zusammengesetzt und frei 15 durch Abscheidung einer Niobschicht auf der Ober-

von Verunreinigungen sein, d. h., sie soll ein mög- fläche einer metallischen Trägerstruktur anzugeben,

liehst hohes Restwiderstandsverhältnis besitzen. bei welchem die geschilderten Nachteile vermieden

Unter Restwiderstanusverhältnis ist in diesem Zu- werden und sehr reine Oberflächenschichten aus

sammenhang der Quotient aus den elektrischen Niob erzielt werden können.

Widerständen im normalieitenden Zustand der Ober- 30 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch flächenschicht bei einer Temperatur von 208° K und gelöst, daß zunächst die Trägerstruktur aus Niob hereiner Temperatur von 4,2° K zu verstehen, der mit gestellt, anschließend die Niobschicht auf der Innenabnehmendem Verunreinigungsgehalt stark ansteigt. seite der Trägerstruktur mittels Schmelzflußelektro-Zur Reinigung der Oberflächenschicht von fremden lyse abgeschieden und dann die beschichtete Träger-Elementen zum Zwecke der Erzielung eines hohen 25 struktur einer Entj>asungsglühung unter Hochvakuum Restwiderstandsverhältnisses kommt insbesondere unierzogen wird.

Entgasungsglühen im Hochvakuum bei Temperatu- Dieses Verfahren hat den großen Vorteil, daß einer-

ren von etwa 2000° C und mehr in Frage. seits für die Trägcrstraktur selbst massives Niob han-

Man hat bereits versucht, Resonatorkavitäten aus delsüblicher Reinheit verwendet werden kann und

massivem Niob herzustellen (Aufsatz .on C. Passow 30 daß dennoch in der auf der Trägerstruktur elektro-

in »Elektrotechnische Zeitschrift, Ausgabe A, Band lytisch abgeschiedenen Niobschicht, die wesentlich

89 (1968), Seiten 341 bis 346). Derartige Resonato- weniger metallische Verunreinigungen enthält als die

ren können zwar einer Entgasungsglühung unter- Trägerstruktur, durch das Entgasungsglühen ein sehr

zogen werden, jedoch kann überraschenderweise hohes Restwiderstandsverhältnis erzielt werden kann,

trotz des Entgasungsglühens kein genügend hohes 35 Während beispielsweise bei Niobblech handelsüblicher

Restwiderstandsverhältnis erzielt werden. Dies ist, Reinheit selbst durch langzeitiges G'ühen bei Tempe-

wie genauere Untersuchungen gezeigt haben, auf die raturen von 2000° C und mehr wegen der metalli-

im massiven Niob enthaltenen metallischen Verun- sehen Verunreinigungen ein Restwiderstandsverhält-

reinigungen, insbesondere Tantal, zurückzuführen, nis von etwa 100 praktisch nicht überschritten werden

die durch EntgasungsglUhen nicht aus dem Niob ent- 40 kann, können in der elektrolytisch abgeschiedenen

fernt werden können. Niobschicht durch das Entgasungsglühen ohne weite-

Ferner wurde bereits versucht, die Trägerstmk- res Restwiderstandsverhältnisse von etwa 500 bis

türen für die Resonatorkavitäten aus Kupfer auszu- 1500 erreicht werden.

bilden und darauf eine Niobschicht elektrolytisch ab- Die schmelzflußelektrolytisch abgeschiedene Niobzuscheiden (vgl. den Aufsatz von C. Passow, 45 schicht sollte dabei vorzugsweise so stark ausgebildet a. a. O.). Verfahren zum elektrolytischen Abscheiden werden, daß auch bei langzeitigem Glühen über viele von Niob auf Kupfer, bei denen als Schmelzflußelek- Stunden die metallischen Verunreinigungen aus der trolyten insbesondere Schmelzen aus Niobfluoriden Träg°rstruktur nicht durch Diffusion in die bis zu und Alkalifluoriden verwendet werden, sind bekannt einigen um starke Oberflächenzone der Niobschicht (Aufsatz von G. W. Mellors und S. Senderoff in 50 vordringen können, in welcher die Hochfrequenz- »Journal of the Electrochemical Society«, Band 112 absorption stattfindet. Durch eine derartige Diffusion (1965), Seiten 266 bis 272). Mit diesen Verfahren auf würde nämlich das durch die Entgasung erzielte hohe übliche Kupferträger aufgebrachte Niobschichten Restwiderstandsverhältnis in dieser Oberflächenzone haben jedoch den Nachteil, daß selbst bei höchst- wieder verkleinert werden. Die GlUhzeiten für die möglicher Reinheit des Elektrolyten von störenden 55 Entgasungsglühung werden vorteilhaft so gewählt, metallischen Verunreinigungen und bei höchstmög- daß die gasförmigen Verunreinigungen, welche die licher Reinheit der in der Abscheidevorrichtung ver- Trägerstruktur während der schmclzflußelektrolytiwendeten Schutzgasatmosphäre ein so großer Anteil sehen Abscheidung aufnimmt, vollständig durch die von gasförmigen Verunreinigungen, insbesondere abgeschieden?. Niobschicht hindurch und aus dieser Sauerstoff, in die Niobschichten eingebaut wird, daß βο herausdiffundieren können. Als besonders vorteilhaft die Supraleitungseigenschaftcn dieser Niobschichten hat es sich erwiesen, auf der Innenseite der Trägerwesentlich schlechter sind als die von reinem Niob struktur eine Niobschicht von wenigstens 0,3 mm und insbesondere das Restwiderstandsverhältnis der Stärke schmelzflußelektrolytisch abzuscheiden und Niobschichten nicht ausreichend groß ist. Eine Rei- die beschichtete Trägerstruktur tinter Hochvakuum nigung dieser Niobschichten durch EntgasungsglUhen, ij mit einem Restgasdruck von 5 ■ 10-'Torr oder weni- dat Temperaturen von Über 2000° C erfordern ger etwa 15 Stunden lang bei einer Temperatur zwi- wlirde, ist wegen de» Kupferträgers nicht durchfuhr- sehen etwa 2000 und 2050° C zu glühen,
bar. Et könnte zwar daran gedacht werden, die Niob- DieTrägcrstruklur kann beispielsweise aus massivem

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aus dem Vollen gedreht werden. Dies dürfte lung der Trägerstruktur ein an die angestrebte Form

edoch in der Regel unwirtschaftlich sein. Besonders der Trügerstruktur angepaßter, rotationssymmetrisch

vorteilhaft ist es, die Trägerstruktur aus Niobblech ausgebildeter Körper einlagig dicht mit Niobdralu be-

lerzustellen. Einfache, beispielsweise zylinderförmige wickelt wird und daß auf der dadurch enisluhi-iiden

I'rügerstrukturen können dabei durch Biegen des 5 Niobdrahtwicklung zur mechanischen Verbindung

Bleches und Verschweißen der Steißkanten hergestellt der DruhlwindungenNinb mittels Schmelzflußelektro-

tverden. Geometrisch komplizierter geformte Träger- lyse abgeschieden wird. Nach Entfernung des ruüt-

>trukturen mit vielen gekrümmten Flächen, wie sie tior.ssymmetrisch ausgebildeten Körpers kann dann

insbesondere für Resonatnrkavitäten von Linear- die diesem Körper zugewandte Oberfläche der nun-

beschleunigern erforderlich sind, können vorteilhaft io mehr die Trägerstruktur bildende Drahtwicklung

aus Niobblech durch Tiefziehen hergestellt werden, achmelzfiuSelektrolytisch mit Niob beschichtet wer-

Wenn die geometrische Form der Trägerstruktur eine den. Der rotationssymmetrisch ausgebildete Körper

Herstellung aus einem ein/igen Stück nicht gestattet, muß dabei natürlich aus einem Material bestehen,

können vorteilhaft zunächst Teilstücke der Träger- dessen Schmelztemperatur höher ist als die Tempe-

struktur durch Tiefziehen hergestellt und vor der 15 ratur des Schmelzfiußelektrolyten und das durch den

schmelzflußelektrolytischen Abscheidung der Niob- Schmelzfiußelektrolyten nicht angegriffen wird. Als

schicht durch Elektronenstrahlschweißen miteinander besonders geeignet hat sich Kupfer erwiesen.

bzw. mit anderen Teilstücken verbunden werden. Die schmelzflußelektrolytische Abscheidung von

Ferner kann es vorteilhaft sein, die Trägerstruk- Niob zur mechanischen Verbindung der Drahtwintur vor der schmelzflußelektrolytischen Abscheidung 30 düngen kann vorteilhaft in mehl -ren Schritten erfolder Niobschicht mehrere Stunden lang unter Hoch- gen, wobei zwischen diesen Schlitten die äußere vakuum bei einer Temperatur von etwa 2000° C und Oberfläche der jeweils abgeschiedenen Niobschicht mehr zu glühen. Für Trägerstrukturen aus Niobblech mechanisch oder elektrolytisch geglättc werden haben sich dabei eine Glühzeit von etwa 3 Stunden, kann. Auch die Beschichtung der dem rotationssymein Hochvakuum mit einem Restgasdruck von hoch- 35 metrisch ausgebildeten Körper zugewandten Oberstens 5 ■ 10"⁸ Torr und Glühtemperaturen zwischen fläche der Drahtwicklung kann gegebenenfalls in etwa 2000 und 2050° C als vorteilhaft erwiesen. mehreren, durch mechanische oder elektrochemische Diese Glühbehandlung dient einmal zur Vor- Behandlungen unterbrochenen Schritten erfolgen,
entgasung der Trägerstruktur. Zum anderen kann Besonders vorteilhaft ist es, einen Niobdraht mit durch die Glühbehandlung eine Entspannung de» 30 einem Profil zu verwenden, welches an der dem Trägcrslruktur und eine Erholung der Trägerstruktur rotationssymmetrisch ausgebildeten Körper zuvon Gitterdeffekten sowie ein Kornwachstum an der gewandten Oberfläche eine weitgehend glatte Ober-Oberfläche der Trägerstruktur bis zu einer mittleren fläche der Drahtwickluiig ergibt.
Flächenkorngröße von etwa 5 mm erreicht werden. Bei geometrisch verwickelt aufgebauten Hohlraum-Unter mittlerer Flächenkorngröße ist dabei der 35 resonatoren können vorteilhaft zunächst Teilstücke mittlere Korndurchmesser parallel zu der zur Ab- der Trägerstruktur durch Bewickeln rotationssymmescheidung de: Niobschicht bestimmten Oberfläche der trischer Körper mit Niobdraht und Abscheidung von Trägerstruktur zu verstehen. Die mittlere Flächen- Niob mittels Schmelzflußelektrolyse zur mechanischen korr.größe kann durch Auszählen der Kornzahl pro Verbindung der Drahtwindungen hergestellt und nach Flächeneinheit ermittelt werden. Die Entspannung 4u Entfernen der rotationssymmetrisch ausgebildeten der Trägerstruktur und die Ausheilung der Gitter- Körper mittels Elektronenstrahlschweißens miteindcffekte verhindert einmal eine spätere unerwünschte ander bzw. mit anderen Teilstücken verbunden wer-Verformung der Trägerstruktur während der schmelz- den. Zur Herstellung der Trägerstruktur können derflußclektrolytischen Abscheidung und führt ferner art hergestellte Teilstücke auch mit Teilstücken verdazu, daß die elektrolytisch abgeschiedene Niob- 45 bunden werden, die durch Tiefziehen von Niobblech schicht auf der Trügerstruktur epitaktisch aufwächst. hergestellt wurden.

Die Niobschicht weist dann das gleiche Korngefüge Eine mehrstündige Glühbehandlung unter Hochauf, wie die Trägerstruktur an der zur Abscheidung vakuum bei Temperaturen von 2000° C und mehr bestimmten Oberfläche. Derart epitaktisch auf- vor der schmelzfl<"Oelektrolytischen Abscheidung der gewachsene Niobschichten sind besonders rein und 5" N^;",bschicht auf der Innenseite der Trägerstruktur glatt. Die Reinheit und Glätte der Niobschicht nimmt kann auch bei den Trägerstrukturen vorteilhaft sein, dabei mit wachsender mittlerer Flächenkorngröße der die aus Niobdnhtwicklungen hergestellt sind.
Trage-Struktur zu. Durch geringste elastische Span- Die schmelzflußelektrolytische Abscheidung der nungen >n der Trägerstruktur sowie durch Gitter- Niobschichten kann nach bekannten Verfahren crstörungen im einkristallinen Bereich der Kristallkör- 55 folgen. Als F.lektrolyte kommen insbesondere Schmelner an der Oberfläche der Trägerstruktur wird das zen aus Niobrluoriden und Alkalifluoriden in Frage, epitaktische Aufwachsen der Niobschicht bereits An Hand einiger Figuren und Ausführungsbeispiele unterdrückt. soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

Wenn vor der Abscheidung der Niobschicht eine F i g. 1 zeigt schematisch im Schnitt eine Vorrich-

Nachbearbeitung und Glättung der zur Abscheidung 60 tung zum Entgasungsglühen;

der Niobschicht bastimrnten Oberfläche der Träger- F i g. 2 zeigt schematisch im Schnitt eine Vorrich

struktur erforderlich ist, kann diese Oberfläche vor- tung zur Beschichtung einer Niobträgerstruktur mit

teilhaft mechanisch und/oder chemisch und/oder tels Schmelzflußelektrolyse;

elektrolytisch poliert werden. Das gleiche gilt für die Fig. 3a bis 3f zeigen schematisch mehrere Ver

Oberfläche der abgeschiedenen Niobschicht. 65 fahrensschrittc bei der Herstellung eines Hohlraum

Insbesondere zur Herstellung geometrisch kompii- resonators nach einer Ausftihningsfonn des erfin

zierter geformter Hohlraumresonatoren kann vorteil- dungsgemäßen Verfahrens;

haft auch derart verfahren werden, daß zur Herstel- Fig. 4 zeigt schematisch im Schnitt eine Träger

struktur aus Niobdraht bei einer weiteren Ausflihrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

F i g. 5 a bis 5 f zeigen schematisch die Herstellung eines Hohlraumresonators aus Teilstiicken;

F i g. 6 zeigt schematisch im Schnitt eine weitere aus Teilstücken zusammengesetzte Trägerstruktur für einen Hohlraumresonator.

Im folgenden Ausführungsbeispiel soll die Herstellung eines zylinderförmigen Hohlraumresonators tintcr Verwendung der in den Fig. 1 und 2 dargcstcllten Vorrichtungen näher erläutert werden. Derartige zylinderförmige Hohlraumresonatoren können bcispielswcisc für Mcßzwccke verwendet werden. Zur Hcrstellung der Trägerstruktur wird aus einem Streifen aus handelsüblichem, etwa 2,5 mm starkem Niobblech ein Zylinder gerollt. Anschließend werden die aneinanderstoßender Seitenkanten des Blechstreifens durch Elektronenstrahlschweißen miteinander verbunden. Typische Werte für den Gehalt derartigen handelsüblichen Niobblechs an metallischen Verunrcinigungen sind beispielsweise 2000 ppm Tantal, 700 ppm Eisen, 1000 ppm Nickel und je 200 ppm Mangan und Wolfram. Die Höhe des Zylinders kann beispielsweise 41 mm, der Innendurchmesser 42 mm betragen.

Zur Vorglühung wird der Niobblechzylinder 1 dann in die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung eingesetzt, die zum Erhitzen des Zylinders durch Elektronenbeschuß dient. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einer mit einem Loch versehenen Niobplatte 2, die mit Niobklammern 3 an Aluminiumoxydstäben 4 befestigt ist, und aus einer scnkrecht zur Oberfläche der Platte 2 angeordneten, durch das Loch in der Platte hindurchführenden Wolframkathode 5. Die Wolframkathode 5 ist zwisclien ebenfalls aus Niob bestehenden Halteteilen 6 und 7 ausgespannt, die selbst wiederum an den Aluminiumoxydstäben 4 befestigt sind, und kann über diese Halteteile 6 und 7 mit Strom versorgt werden. Zwischen dem Halteteil 6 und der Niobplatte 2 sind als zusätzliche Stützen dünne Aluminiumoxydstäbe 8 vorgesehen. Zwei konzentrisch zueinander angeordncte Niobzylinder 9 und 10 dienen als Strahlungsreflektoren. Die Vorrichtung befindet sich in einem durch den Rohrstutzen 11 evakuierbaren Edelstahlkessel 12. Die Stromzuleitungen 13 und 14 zur Hcizung der Wolframkntliode 5 sind vakuumdicht aus dem Kessel 12 herausgeführt. Wenn der Niobzylindcr 1 in die Vorrichtung eingesetzt ist, wird die Vorrichtung bis zu einem Restgasdruck von etwa 5 · 10~^s Torr evakuiert. Anschließend wird zwischen der Wolframkathode S und dem als Anode dienendcn Zylinder 1 über die Zuleitungen 14 und 16 Hochspannung angelegt und der Zylinder 1 durch Elcktronenbeschuß etwa 3 Stunden lang auf eine Tempcralur von etwa 2050 C erhitzt. Die Temperatur wird optisch durch das in der Wand des Kessels 12 vorgesehene Schauglas 17 gemessen. Nach dem Abkiihlen wird der vorentgaste und entspannte Zylinder 1 aus der Vorrichtung herausgenommen.

Zur Glättung der zur Abscheidung der Niobschicht bestimmten Oberfläche wird dann die Innenseite des Niobzylinders 1 zunächst durch Schleifen oder Sandstrahlen mechanisch und dann elektrolytisch poliert. Zu diesem Zweck eignet sich beispielsweise ein Elektrolyt aus 85⁰Zn Schwefelsäure und 15"Ό Flußsäiirc, wobei als Anode der zu polierende Niobzylinder und als Kathodcnmatcrial ebenfalls Niob verwendet wird.

Bei einer Spannung zwischen Anode und Kathode von etwa 5 bis 9 V und einer Badstromdichle von 20 mA/cm² an der Anode wird von der Oberfläche des Zylinders 1 pro Minute etwa 1 |im Niob ab getragen. Nach einigen Minuten wird der Zylinder 1 wieder aus dem Elektrolyten herausgenommen und von Elektrolytrestcn gereinigt

An diese Oberflächenbearbeitung kann sich eine nochmalige Glühung des Zylinders in der Vorrich tung nach Fig. 1 unter den bereits angegebenen Be- dingungen anschließen.

Im Anschluß daran wird die Innenseite des Zylinders 1 in der in F i g. 2 dargestellten Vorrichtung miltels Schmelzflußelcktrolyse mit einer Niobschicht 40 überzogen. Diese Vorrichtung besteht im wesentliehen aus einem Topf 21 aus rostfreiem Stahl, der mit einem ebenfalls aus rostfreiem Stahl bestehenden Aufsatz 22 versehen ist. Der Topf 21 und der Aufsatz 22 sind evakuierbar und mit Schutzgas bespül-

ao bar. Der Topf 21 ist von einem Widerstandsheizofen 23 umgeben. Im Topf 21 befindet sich ein Nickeltopf 24, der zur Aufnahme des schmelzflüssigen Elektrolyten 25 dient Der obere Teil 26 des Aufsatzes 22 dient als Schleusenkammer, die einen Wechsel des zu

»5 beschichtenden Niobträgers bei der Betriebstemperatur des Elektrolyten ermöglicht, und kann durch einen vakuumdichten Schieber 27 von der restlichen Vorrichtung abgetrennt werden. Am oberen Ende der Schleusenkammer 26 ist eine vakuumdichte Durchführung 28 für die Halterungen des Niobzylindcrs 1 und der Niobanode vorgesehen, die eine vertikale Bewegung der Halterungen ermöglicht. Als Dichtungselemente können insbesondere Kunststoffringe 30 aus Polytetrafluoräthylen verwendet werden. Als Hallerungen für den Niobzylinder 1 und die ebenfalls zylinderförmige Niobanode 41 dienen zwei knnzenträsch zueinander angeordnete, gegeneinander elektrisch isoüprte Nickelrohre 31 und 32, die mit einer in F i g. 2 nicht dargestellten Gleichspannungs- quelle verbunden werden können. Ferner ist ein Rüh- rer 33 vorgesehen, der aus Niob besteht und über eine Stange 34 gedreht werden kann.

Als Elektrolyt 25 wird Kaliumheplafliiorniobat (K,NbF₇) verwendet, das in einer euteklischcn Mischung von Natriumfluorid, Kalitimfluorid und Lithiumfluorid gelöst ist. Der Elektrolyt besteht dabei aus lfi.2 Gewichtsprozent K₀NbF₇, 10.5 Gewichtsprozent NaF, 47,0 Gewichtsprozent KF und 26,2 Gcwichtsprozenl LiF. Nacli Hinbringen dieser Bestandteile in den Nickeltopf 24 werden der SUihltopf 21 und der Aufsatz 22 zunächst e\akuiert und dann über die Rohrstutzen 35 bis 38 mit Schutzgas, nämlieh Argon mit einer Reinheil von etwa ⁽"}.Φ> Ci wichtsprozcnt, bespült. Mittels des Ofens 23 wird dann der Elektrolyt 25 geschmolzen und auf eine Temperatur von etwa 740 bis 750° C gebracht. Die Temperatur kann durch in Fig. 2 nicht dargestellte. mit einer Nickclsehulzhülle versehene Thermoelemente kontrolliert werden, die in den Elektrolyten 25 eintauchen. Danach wird die Schleusenkammer 26 durch den Schieber 27 von der restlichen Vorrichtung abgetrennt. Der am Rohr 31 befestigte Niobzyünder 1 und die am Rohr 32 befestigte Niobanode 41 werden dann in die Schleusenkammer 26 eingebracht.

die anschließend wieder evakuiert und durch die Rohrstutzen 35 und 36 mit Aruon bespült wird. Bei der Befestigung des Niobiylinders I am Rohr 31 sollte darauf conduct werden, daß durch die Befesli-

gung keine thermischen und elastischen Spannungen Schluß des zylinderförmigen Hohlraumresonators

im Zylinder 1 hervorgerufen werden. Nach öffnen können ebenfalls aus Niobblech hergestellt und ähn-

des Schiebers 11 wird der Niobzylinder 1 in den Topf lieh wie der Niobzylinder 1 mit Niob beschichtet und

21 eingesk'loben und solange oberhalb des Elektro- geglüht werden.

lyten 25 gehalten, bis er sich auf die Temperatur des 5 Eine andere Ausführungsform des erfindungs-

Elektrolyten erwärmt hat. Dies ist erforderlich, da gemäßen Verfahrens, bei welcher die Trägerstruktur

beim sofortigen Eintauchen des NiobzylInders 1 in mittels Niobdraht hergestellt wird, soll an Hand der

den Elektrolyten 25 der Elektrolyt an der Oberfläche F i g. 3 a bis 3 f näher erläutert werden,

des Niobzylinders abgekühlt und die Beschichtung Zur Herstellung eines zylinderförmigen Niobreso-

des Niobzylinders mit Niob behindert würde. Wenn ίο η a tors wird zunächst, wie F i g. 3 a zeigt, ein Niob-

sich der Niobzylinder 1 auf die Temperatur des Elek- draht 51 einlagig und dicht auf einen Kupferzylinder

trolyten 25 erwärmt hat, wird er zusammen mit der 52 gewickelt, der an die Innendimensionen der an-

Niobanode 41 in den Elektrolyten 25 eingetaucht. gestrebten zylinderförmigen Trägerstruktur angepaßt

Anschließend wird zwischen der Niobanode 41 und ist. Auf der Außenseite der Niobdrahtwicklung 51

dem als Kathode geschalteten Niobzylinder 1 eine 15 wird dann Niob mittels Schmelzflußelektrolyse so-

elektrische Gleichspannung von höchstens 0,25 V an- lange abgeschieden, bis eine mechanisch ausreichend

gelegt. Die Niobabscheidung auf der Innenseite des feste Verbindung der einzelnen Drahtwindungen

Niobzyünders 1 erfolgt dann mit einer Stromdichte entstanden ist. Die Abscheidung der Niobschicht 53

zwischen etwa 40 und 50 mA/cm². Durch den Rührer kann in der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung er-

33 der beispielsweise mit 20 Umdrehungen pro ao folgen. Die Anordnung von Anode und Kathode in

Minute umlaufen kann, kann der Elektrolyt mit der Vorrichtung ist dabei so abzuändern, daß die

mäßiger Geschwindigkeit gegenüber dem Niobzylin- Anode die Niobdrahtwicklung 51 außen umgibt,

der 1 bewegt werden. Die Abscheidegeschwindigkeit Nach einiger Zeit wird die Abscheidung unterbrochen

des Niobs auf dem Niobzylinder 1 beträgt etwa 0,5 und die abgeschiedene Niobschicht 53, wie Fig. 3b

bis 1 (im pro Minute. »5 zeigt, durch Schleifen und gegebenenfalls anschlie-

Nach beendeter Abscheidung, beispielsweise nach ßendes elektrolytisches Polieren geglättet. Auf die Aufwachsen einer Niobschicht 40 von etwa 0,4 mm geglättete Niobschicht 53 wird dann weiter Niob Dicke wird der Niobzylinder 1 aus dem Elektrolyten schmelzflußelektrolytisch abgeschieden, bis eine 25 herausgezogen und beispielsweise in der Schleu- Schichtdicke von einigen zehntel Millimetern erreicht senkammer 26, die mittels einer von Wasser durch- 30 ist (Fig. 3c). Nachdem der Kupferzylinder52 entströmten Kühlwicklung 39 gekühlt werden kann, fernt ist, wird dann auf der dem Kupferzylinder zuunter Argon auf Raumtemperatur abgekühlt und gewandten Oberfläche, d. h. auf der Innenseite der nach dem Abkühlen aus der Abscheidevorrichtung Drahtwicklung, durch Schmelzflußelektrolyse eine herausgenommen. Noch anhaftende Elektrolytreste Niobschicht 54 abgeschieden. Auch die Abscheidung können im Wasserbad bei etwa 20° C mit harten 35 dieser Schicht erfolgt, wie die Fig. 3d bis 3f zeigen, Plastikbürsten entfernt werden. in mehreren Schritten, zwischen denen die äußere

Die schmelzflußelektrolytisch abgeschiedene Niob- Oberfläche der jeweils abgeschiedenen Niobschicht schicht 40 enthält zwar einen relativ hohen Anteil mechanisch oder elektrolytisch geglättet wird. Der an gasförmigen Verunreinigungen, jedoch ist der Ge- fertige, in Fig. 3f dargestellte Zylinder wird dann halt an metallischen Verunreinigungen wesentlich 40 nach entsprechender Reinigung in der in F i g. 1 darkleiner als bei dem Niobblechzylinder 1. Typische gestellten Vorrichtung der abschließenden Ent-Werte für den Gehalt der Niobschicht 40 an metal- gasungsglühung unterzogen.

lischen Verunreinigungen sind etwa t00 ppm Tantal, An Stelle des Niobdrahtes 51 mit kreisfo.migem

290 ppm Eisen und 200 ppm Nickel. Querschnitt kann, wie Fig. 4 zeigt, auch ein Niob-

Vor dem abschließenden Entgasungsglühen wird 45 draht 61 mit kantigem Profil verwendet werden, die Oberfläche der Niobschicht 40 mit einer Polier- welches an der dem Kupferzylinder 62 zugewandten flüssigkeit chemisch gereinigt, die beispielsweise aus Oberfläche eine weitgehend glatte Oberfläche der Salpetersäure, Flußsäure und Wasser im Volumen- Drahtwicklung ergibt. Die Abscheidung der Niobverhältnis 1:2:4 bestehen kann. Im Anschluß daran schicht an der glatten Innenseite der Drahtwicklune kann die Niobschicht 40. ebenso wie der Niobzylin- 50 61 kann dann in einem einzigen Schritt erfolgen,
der 1 vor der Abscheidung der Niobschicht 40, zu- Supraleitende Hohlraumresonatoren für Linearsätzlich mechanisch und elektrolytisch poliert werden. beschleuniger haben oft geometrisch kompliziert aus-

Zum Fntgasungsglühen wird dann der mit der gebildete Formen. Eine der bekanntesten ist die

Niobschicht 40 beschichtete Niobzylinder 1 wieder wegen ihrer uiaraktristischen Form »Omega-Struk-

in die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung eingesetzt 55 tür« genannte Resonatorform, die beispielsweise in

und dort unter Hochvakuum mit einem Restgasdruck dem bereits erwähnten Aufsatz von C. Passow

von etwa 5-10-^RTorr etwa 15 Stunden lang bei (S. 344. Bild 1) dargestellt ist. Eei der Herstellung

einer Temperatur zwischen 2000 und 2050° C gc- derartiger Resonatoren ist es oft vorteilhaft, zunächsi

glüht. Durch diesen Glühvorgang werden die bei der Teilstücke der Trägerstruktur herzustellen, und diese

schmelzflußelektrolytischen Abscheidung aufgenom- 60 Teilstücke miteinander durch Elektronenstrahl-

menen gasförmigen Verunreinigungen aus dem Niob- schweißen zu verbinden.

zylinder 1 und der Niobschicht 40 wcitcstgehcnd ent- An Hand der Fig. 5a bis 5f soll die Herstellung

fernt. Durch das Glühen kann im Niobzylinder 1 ein der einen Hälfte einer solchen Omega-Struktui

Restwiderstandsverhältnis von etwa 100 und in näher erläutert werden. Fi g. 5 a zeigt zur Übersicht

einer mehrere um starken Obcrflächcnzonc der Niob- 65 die angestrebte Form der Resonatorstruktur. Dk

schicht 40 ein Restwideistandsverhiiltnis von etwa obere Hälfte 70. die genauso hergestellt werden kann

1500 erreicht werden. wie die uniere Hälfte, ist nur schematisch angc-

nip krHsförmieen Deckel zum bciikoitigen Ab- deutet. In der unteren Hälfte der Omcga-Struktui

sind die einzelnen Teilstücke 71 bis 76 angegeben, aus denen diese Hälfte hergestellt werden soll. Die Herstellung der um die Mittelachse 77 der Omega-Struktur rotations^ymmetrischen TeÜstücke 71 bis 74 erfolgt mit HiHs von Niobdrahtwicklungen. Zu diesem Zweck werden, wie die Fig. 5b bis 5e vergrößert zeigen, zunächst vier rotationssymmetrisch ausgebildete, an die angestrebten Innendimensionen der Teilstücke 71 bis 74 angepaßte Kupferkörper 81 bis 84 gefertigt und an ihrer Außenseite mit Niobdrahtwicklungen 85 bis 88 einlagig dicht umwickelt. Zur mechanischen Verbindung der Niobdrahtwicklungen wird dann auf deren Außenseite schmelzfluBelektrolytisch eine Niobschicht 89 abgeschieden. Nach dem Herauslösen der Kupferkörper werden die Drahtwicklungen dann entsprechend den Fig. 3d und 3e an ihrer Innenseite mit Niob beschichtet, bis eine glatte Oberfläche entsteht. Die auf diese Weise erhaltenen Teilstücke der Trägerstruktur werden dann, wie Fig. 5f zeigt, miteinander bzw. mit den durch ao Tiefziehen aus Niobblech gefertigten Teilstücken 75 und 76 durch Elektronenstrahlschweißen verbunden. Die Schweißnähte sind mit 90 bezeichnet. Im Anschluß an das Schweißen wird die Trägerstruktur zweckmäßigerweise vorgeglüht und einer Ober- «5 flächenbehandlung durch mechanisches, chemisches oder elektrolytisches Polieren unterzogen. Danach wird auf der Innenseite der Trägerstruktur mittels Schmelzflußelektrolyse die Niobschicht 91 abgeschieden. Dies kann beispielsweise mit einer Vor- richtung gemäß F i g. 2 erfolgen, jedoch sollte dabei die Form der Niobanode möglichst der Form der zu beschichtenden Oberfläche der Trägerstruktur angepaßt werden. Nach Abscheidung der Niobschicht wird die beschichtete Träglirstruktur dann der Entgasungsglühung unter Hochvakuum unterzogen.

Die Trägerstruktur kann auch vollständig aus Teilstücken zusammengesetzt werden, die aus Niobblech durch Tiefziehen hergestellt sind. Dies ist in Fig. 6 schematisch dargestellt. Die aus Niobblech bestehenden Teilstücke 1Φ0 bis 104 sind durch Elektrostrahlschweißnähte 105 miteinander verbunden und an der Innenseite der Resonatorkavität mi. einer schmelzfluBelektrolytisch abgeschiedenen Niobschicht 106 überzogen. Die einzelnen Glühungen und Oberflächenbehandlungen können hierbei in ähnlicher Weise vorgenommen werden, wie bei der Herstellung des zylinderförmigen Hohlraumresonators.

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von supraleitenden Hohlraumresonatoren, insbesondere für Teilchenbeschleuniger, durch Abscheidung einer Niobschicht auf de·· Oberfläche einer metallischen Trägerstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Trägerstniktur (1) aus Niob hergestellt, anschließend die Niobschicht (40) auf der Innenseite der Trägerstruktur durch SchmeLzflußelektrolyse abgeschieden und dann die beschichtete Trägerstruktur einer Entgasungsglühung unter Hochvakuum unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite der Trägerstruktur (1) eine wenigstens 0,3 mm starke Niobschicht (40) schmelzflußelektrolytisth abgeschie- den wird und die beschichtete Trägerstruktur unter Hochvakuum mit einem Restgasdruck von höchstens 5 · 10-" Torr etwa 15 Stunden lang bei einer Temperatur zwischen etwa 2000 und 2050° C geglüht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur aus Niobblech hergestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur aus Niobblech durch Tiefziehen hergestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst Teilstücke (100 *?is 104) der Trägerstruktur durch Tiefziehen hergestellt und vor der Abscheidung der Niobschicht mittels Elektronenstrahlschweißens miteinander bzw. mit anderen Teilstücken verbunden werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur vor der schmelzflußelektrolytischen Abscheidung ücr Niobschicht mehrere Stunden lang unter Hochvakuum bei einer Temperatur von etwa 2000ⁿ C und mehr geglüht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur unter Hochvakuum mit einem Restgasdruck von höchstens 5 · 10~⁸Torr etwa 3 Stunden lang bei einer Temperatur zwischen etwa 2000 und 2Ο5Ο^Λ C geglüht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Abscheidung der Niobschicht bestimmte Oberfläche der Trägerstruktur bzw. die Oberfläche der abgeschiedenen Niobschicht mechanisch und/oder chemisch und/oder elektrolytisch poliert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Trägerstruktur ein an die angestrebte Form der Trägerstruktur angepaßter, rotationssymmetrisch ausgebildeter Körper (52) einlagig dicht mit Niobdraht (51) bewickelt wird, daß auf der dadurch entstehenden Niobdrahtwicklung zur mechanischen Verbindung der Drahtwindungen Niob (53) mittels Schmelzflußelektrolyse abgeschieden wird und daß nach Entfernung des rotationssymmetrisch ausgebildeten Körpers die diesem Körper zugewandte Oberfläche der Drahtwicklung schmelzfluBelektrolytisch mit Niob (54) beschichtet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die schmelzflußelektrolytische Abscheidung des Niobs in mehreren Schritten erfolgt, und daß zwischen diesen Schritten die jeweils abgeschiedene Niobschicht mechanisch oder elektrolytisch geglättet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Niobdraht (61) mit einem Profil verwendet wird, welches an der dem rotationssymmetrisch ausgebildeten Körper (62) zugewandten Oberfläche eine weitgehend glatte Oberfläche der Drahtwicklung ergibt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst TeilsUicke (71 bis 74) der Trägerstruktur durch Bewickeln rotationssymmetri!>cher Körper (81 bis 84) mit Niobdraht (85 bis 88) und Abscheidung von Niob (89) mittels Schmelzflußelektrolyse z!ir mechanischen Verbindung der Draht-

Windungen hergestellt und nach Entfernen der rotationssymmetrisch ausgebildeten Körper mittels Elektronenstrahlschweißens miteinander bzw. mit anderen Teilstücken verbunden werden.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch Tiefziehen

von Niobblech und Bewickeln rotationssymmetrischer Körper mit Niobdraht und anschließende Abscheidung von Niob auf den Drahtwindungen hergestellte Teilstücke (71 bis 76) der Trägertruktur mittels Elektronenstrahlschweißens miteinander verbunden werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen