DE3616548A1 - Supraleitende cavity mit integrierter kuehlung - Google Patents
Supraleitende cavity mit integrierter kuehlungInfo
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- H05H7/20—Cavities; Resonators with superconductive walls
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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 (3)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19863616548 DE3616548A1 (de) | 1986-05-16 | 1986-05-16 | Supraleitende cavity mit integrierter kuehlung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19863616548 DE3616548A1 (de) | 1986-05-16 | 1986-05-16 | Supraleitende cavity mit integrierter kuehlung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3616548A1 true DE3616548A1 (de) | 1987-11-19 |
DE3616548C2 DE3616548C2 (de) | 1990-01-18 |
Family
ID=6300985
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19863616548 Granted DE3616548A1 (de) | 1986-05-16 | 1986-05-16 | Supraleitende cavity mit integrierter kuehlung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3616548A1 (de) |
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-
1986
- 1986-05-16 DE DE19863616548 patent/DE3616548A1/de active Granted
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CN114952196A (zh) * | 2022-06-08 | 2022-08-30 | 中国科学院近代物理研究所 | 一种提高超导腔机械稳定性的方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3616548C2 (de) | 1990-01-18 |
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Legal Events
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: DORNIER GMBH, 7990 FRIEDRICHSHAFEN, DE |
|
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |