DE3616548C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen supraleitenden Hohlraumresonator aus einer dickwandigen Kupferschale und einem darin befestigten dünnen Niob-Blech.

In der Hochenergiephysik werden zunehmend supraleitende Beschleuniger 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- und 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 supraleitende "Cavities" zur Teilchenbeschleunigung eingesetzt.

Dabei liegt die Sprungtemperatur von Niob bei 9.25° K, unterhalb dieser Temperatur ist Niob supraleitend, sein elektrischer Widerstand ist 10⁶ mal kleiner als der Widerstand von Kupfer.

In der Technik sind verschiedene Bauartvarianten für supraleitende Cavities bekannt, beispielsweise:

• 1) Cavities aus reinem Niob, aus dem Vollen gearbeitet oder aus Blech geformt, 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 aufgesputterten 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 aufgetragene 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.

So sind im Einzelnen aus IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-30, Nr. 4, 1983, Seiten 3354 bis 3356 Hohlraumresonatoren zur Teilchenbeschleunigung mit Niob- und Kupferbestandteilen bekannt. Dabei werden u. a. die Niobschicht mit der Kupferschale durch Heißes-isostatisches Pressen verbunden. Die Kühlung der Resonatoren erfolgt durch Kupferkühlschlangen, die außen um die Schalen gewickelt sind. Dabei kühlt flüssiges Helium zunächst das Kupfer und darüber dann durch Wärmeleitung das Niob-Blech, wodurch die Kühlwirkung nicht optimal ist.

Aus der DE-AS 28 09 913 sind ebenfalls Kühlrohre mit flüssigem Helium zur Kühlung von HF-Resonatoren bekannt. Kühlrohre und Resonatorenschale bestehen aus Niob und werden miteinander diffusionsverschweißt. Die Kühlschlangen liegen außen. Die hohen Kosten für das aufgewendete Niob machen diese Ausführung unwirtschaftlich.

Schließlich ist noch aus der DE-PS 34 13 142 ein Verfahren zur Herstellung von Resonatorschalen bekannt. Außenliegende Kühlkanäle, die zur Steigerung der Kühlwirkung einer sonstigen Helium-Kühlung herangezogen werden, sind beschrieben. Das verwendete flüssige Helium muß wiederum in größerer Menge vorliegen, was die Kosten erhöht.

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

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß Hauptanspruch erreicht. Eine Ausgestaltung ist Gegenstand des Unteranspruchs.

Die Erfindung wird anhand der Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt einen Teilschnitt einer Schale mit erfindungsgemäßem Aufbau.

Die Figur 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 eingebracht sind. In diesen Kühlkanälen 4 befindet sich flüssiges Helium als Kühlmittel. Durch die begrenzten Abmessungen der Kühlkanäle 4 bleibt der Heliumbedarf gering. In der Kupferschale 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 geringgehalten. Die Befestigung des Blechs geschieht durch Diffusionsschweißen oder Löten und zwar so, daß das Niob-Blech 6 mit der Kupferschale 2 heliumdicht verbunden ist. Das Diffusionsschweißen 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.

Die Kostenverringerung ist ein wesentlicher Gesichtspunkt, der durch die erfindungsgemäße Herstellung der Cavity berücksichtigt wird. Gleichermaßen ist es wichtig, daß bereits bekannte Gegenstände, wie Kupferschalen, Kühlkanäle, Niob-Blech, und angewandte Verarbeitungsmethoden, Vorbehandlungstechniken 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 Supraleitungseigenschaften, aber eine gute Wärmeleitfähigkeit. Kühlkanäle lassen sich in die Kupferschale gut hineinarbeiten. Einzelzellen lassen sich weiterhin durch Elektronenstrahlschweißen zu Ketten verbinden. An den Verbindungsstellen ist die Dicke des Niob-Blechs größer gehalten, um eine gute Schweißnahtqualität zu erreichen.

Claims (2)

1. Supraleitender Hohlraumresonator aus einer dickwandigen Kupferschale und einem darin befestigten dünnen Niob-Blech, dadurch gekennzeichnet, daß in der innenliegenden Oberfläche der Kupferschale (2) Kühlkanäle (4) eingebracht sind, die durch das an der Kupferschale (2) befestigte Niob-Blech (6) abgedeckt sind.

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