DE3616548A1

DE3616548A1 - Supraleitende cavity mit integrierter kuehlung

Info

Publication number: DE3616548A1
Application number: DE19863616548
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl Ing Jaeger; Horst Dipl Ing Stuermer
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1986-05-16
Filing date: 1986-05-16
Publication date: 1987-11-19
Also published as: DE3616548C2

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Cavity aus einer dickwandigen Kupferschale und einem dünnen Niob-Blech.

In der Hochenergiephysik werden zunehmend supraleitende Be schleuniger eingesetzt, die mit flüssigem Helium auf 2-4°K gekühlt werden. Als supraleitender Werkstoff wird hierbei reines Niob eingesetzt. Niob ist sehr teuer, ein schlechter Wärmeleiter und hat eine niedrige Festigkeit.

Als "Cavities" werden allgemein Hohlraum-Resonatoren für Elektronen- oder Protonenbeschleunigeranlagen bezeichnet. Sie werden mit einem Hochfrequenz-Wechselfeld gespeist und dienen der schrittweisen Beschleunigung von Teilchen, wie beispielsweise Elektronen, Positronen oder Protonen, bis zum Erreichen ihrer vorgesehenen Kollisionsenergie.

Die Cavities bekannter Art sind aus miteinander verschweißten Niob- oder Kupferschalen aufgebaut. Jeweils benachbarte Schalen sind mit ihrem grösseren bzw. mit ihrem kleineren Durchmesser miteinander verschweißt, so dass insgesamt ein Hohlraum mit sich periodisch vergrösserndem und verkleinerndem Durchmesser entsteht.

Bereits seit einigen Jahren wird Niob als Material für supra leitende Cavities zur Teilchenbeschleunigung eingesetzt. Dabei liegt die Sprungtemperatur von Niob bei 9,25°K, unter halb dieser Temperatur ist Niob supraleitend, sein elektri scher Widerstand ist 10⁶ mal kleiner als der Widerstand von Kupfer.

In der Technik sind drei Bauartvarianten für supraleitende Cavities bekannt:

1) Cavities aus reinem Niob, aus dem Vollen gearbeitet oder auch als Blech, eingebaut in einen Flüssig-Helium- Tank.
2) Cavities aus reinem Niob, mit einer auf die Aussenhaut aufgebrachten Silberschicht und aufgelöteten Kühlrohren aus Kupfer (DESY).
3) Cavities aus Kupfer, mit einer auf die Innenseite auf gesputterten dünnen Niob-Schicht, eingebaut in einen Flüssig-Helium-Tank (CERN).

Bei der ersten Bauart wird neben der teuren Niob-Cavity noch zusätzlich eine grosse Menge Helium benötigt. Die Heliummenge konnte bei der zweiten Bauart erheblich reduziert werden, aber die Kosten der Niob-Cavity erhöhen sich durch die aufge tragene Silberschicht. Bei der dritten Bauart ist die Cavity billiger, jedoch ist die Qualität der Sputterschicht nicht reproduzierbar und die erforderliche Heliummenge ist wiederum groß. Auch die Verwendung dünner, tiefgezogener Niob-Bleche und ihre Elektronenstrahlverschweißung sind bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine supraleitende Cavity so herzustellen, dass die Verwendung des teuren Niob- Werkstoffs erheblich reduziert wird und gleichzeitig eine gute Wärmeableitung und ausreichende Festigkeit erreicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die Erfindung gemäss Hauptanspruch und Unteransprüchen erreicht.

Die Erfindung wird durch drei Figuren und Text näher er läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt einer Schale mit erfindungs gemässem Aufbau,

Fig. 2 eine Variante des Schalenaufbaus im Schnitt, unter Verwendung zweier Kupferschalen,

Fig. 3 den Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des Schalenaufbaus.

Fig. 1 zeigt eine dickwandige Kupferschale 2, die eine gute Kühlung erreicht und bei der Kühlkanäle 4, beispielsweise durch spanabhebende Bearbeitung, spanlose Umformung oder durch Galvanisierung, in die innenliegende Oberfläche einge bracht sind. In diesen Kühlkanälen 4 befindet sich flüssiges Helium als Kühlmittel. Durch die begrenzten Abmessungen der Kühlkanäle 4 bleibt der Heliumbedarf gering. In der Kupfer schale 2 wird ein dünnes Niob-Blech 6 befestigt. Seine Dicke beträgt je nach Grösse der Cavity ca. 0,3 bis 0,5 mm. Die Verwendung des teuren Niob-Werkstoffs wird dadurch gering gehalten. Die Befestigung des Blechs geschieht durch Diffu sionsschweißen oder Löten und zwar so, dass das Niob-Blech 6 mit der Kupferschale 2 heliumdicht verbunden ist. Das Diffu sionsschweißen kann direkt erfolgen oder unter Verwendung einer Zwischenschicht, beispielsweise aus Tantal, Vanadium, rostfreiem Stahl oder Titan. Ebenso kann das HIP-Verfahren (Heiß-Isostatisches-Pressen) angewandt werden. Das Helium bleibt so in den Kanälen und verteilt sich nicht zwischen Blech 6 und Kupferschale 2.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführung der Anordnung, bei der zwei einander angepasste Kupferschalen 2 a und 2 b verwendet werden. Die innere Kupferschale 2 a trägt auf ihrer Aussen seite die Kühlkanäle 4. Zur Abdichtung der Kanäle 4 und zur weiteren Stabilitätsverbesserung wird an der Aussenseite der Schale 2 a eine zweite Kupferschale 2 b heliumdicht befestigt, beispielsweise verlötet. Durch Vermeidung der Kühlkanäle 4 auf der Innenseite der Kupferschale 2 a kann sich das Niob- Blech 6 vollflächig an der Schale 2 a abstützen und so noch besser stabilisiert werden.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der in die Kupferschale 2 an ihrer äusseren Oberfläche Kühlkanäle 4 ein gearbeitet sind. Die Kanäle 4 werden von separaten Kupfer ringen 8, die auf der Kupferschale 2 heliumdicht befestigt werden, abgeschlossen. Auch hier ist der Vorteil der voll flächigen Abstützung des Niob-Blechs 6 an der Kupferschale 2 gewährleistet. In beiden letztgenannten Ausführungsformen kühlt das Helium in den Kühlkanälen nicht direkt das Niob- Blech.

Die Kostenverringerung ist ein wesentlicher Gesichtspunkt, der durch die erfindungsgemässe Herstellung der Cavity be rücksichtigt wird. Gleichermaßen ist es wichtig, dass be reits bekannte Gegenstände, wie Kupferschalen, Kühlkanäle, Niob-Blech, und angewandte Verarbeitungsmethoden, Vorbehand lungstechniken wie Tumbling oder chemisches Beizen, auch weiterhin nutzbar bleiben. Supraleitung wird vom dünnen, hochreinen Niob-Blech wahrgenommen, das aufgrund geringen Materialaufwands kostengünstig aber instabil ist. Dafür dient die Kupferschale als stabiler Hintergrund des Blechs. Die Schale hat keine Supraeigenschaften, aber eine gute Wärmeleitfähigkeit. Kühlkanäle lassen sich in die Kupfer schale gut hineinarbeiten. Bei einer Aufsputterung einer dünnen Niob-Schicht (wie bei CERN), würden die Kühlkanäle unerwünschterweise ebenfalls beschichtet. Einzelzellen lassen sich weiterhin durch Elektronenstrahlschweißen zu Ketten verbinden. An den Verbindungsstellen ist die Dicke des Niob-Blechs grösser gehalten, um eine gute Schweißnaht qualität zu erreichen.

Claims

1. Supraleitende Cavity aus einer dickwandigen Kupferschale und einem dünnen Niob-Blech, dadurch ge kennzeichnet, dass in der Kupferschale (2) Kühlkanäle (4) eingebracht sind und dass in dieser Schale (2) das Niob-Blech (6) heliumdicht befestigt ist.

2. Cavity nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Niob-Blech (6) in der dickwandigen Kupferschale (2) mit tels Diffusionsschweißen, Heiß-Isostatischem Pressen oder durch Löten befestigt ist.

3. Cavity nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferschale (2) zweiteilig ausgeführt ist und die Kühlkanäle (4) zwischen den beiden Teilschalen (2 a und 2 b) eingebracht sind.