DE3812660A1 - Hochfrequenz-resonator mit kuehlmantel und verfahren zur herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft supraleitfähige Hochfrequenz-Resonatoren aus Niob mit einem Kühlmantel aus einem anderen Metall. Hochfrequenz-Resonatoren für Beschleuniger werden bevorzugt aus reinem Niob hergestellt, weil dieses bei entsprechender Temperatur supraleitend ist. Die Wärmeleitfähigkeit von Niob bei diesen Temperaturen ist allerdings so schlecht, daß Hochfrequenz-Resonatoren aus Niob möglichst dünnwandig hergestellt und mit einer ausreichenden Helium-Kühlung ausgestattet werden müssen. Ihre Anordnung in einem mit flüssigem Helium gefüllten Behälter ist nicht nur sehr aufwendig beim Bau und im Betrieb, sie hat auch den Nachteil, daß durch unvermeidliche Druckschwankungen im Helium-Bad die Wand des Resonators elastisch verformt und damit seine Resonanzfrequenz verändert werden kann. Die Anforderungen an einen Niob-Resonator als Teil eines Druckbehälters stehen im Gegensatz zu dem oben erwähnten Wunsch nach möglichst dünner Wandstärke. Eine gut wärmeleitende Verbindung von Niob mit anderen Metallen ist wegen der auf Niob vorhandenen Oxyd-Schicht schwierig und verschlechtert bei den bei der Herstellung bisher üblichen Temperaturen die Wärmeleitfähigkeit des Niob bei tiefen Temperaturen.

In den IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-30, No. 4, August 1983 "SUPERCONDUCTING CAVITIES FROM NIOBIUM-COPPER MATERIAL" wird vorgeschlagen, Niob-Resonatoren mit flüssigem Helium in Kupfer-Rohren zu kühlen. Dort werden auch Niob-Kupfermaterialien von guter Verbindungsqualität erwähnt, aber nicht näher beschrieben. Beispielsweise sollen die Rohre direkt auf einen Niob-Resonator aufgelötet werden. Auch das heiß-isostatische Pressen von Kupfer- und Niob-Blechen unter Inertgas und bei Temperaturen bis 1000°C werden erwähnt. Diese heiß gepreßten Komposit-Bleche sollen auf die gewünschte Dicke gewalzt und anschließend im Vakuum geglüht werden. Weiterhin wird dort auch vorgeschlagen, Kupfer bei etwa 1100°C im Vakuum auf Niob-Bleche aufzuschmelzen, wobei die auf dem Niob-Blech normalerweise vorhandene Oxyd-Schicht verschwinden soll. Auch das Elektroplattieren nach dem Aufschmelzen einer dünnen Kupfer-Schicht auf dem Niob wird erwähnt, sowie die Möglichkeit, plattierte Bleche miteinander zu verschweißen. Weitere Entwicklungen in bezug auf die Schweißtechnik und auch in bezug auf Verformungstechniken ohne Schweißen werden aber als sehr nützlich bezeichnet. Die Verformung von plattierten Niob-Blechen ist noch ein Problem.

In der Fachzeitschrift "GALVANO-TECHNIK", Band 78 (1987) im Heft 4 wird unter der Überschrift "Kupfergalvanoformung für Hochleistungswärmetauscher" von W. Szcepaniak ausführlich über die Galvanoformung von rohrförmigen Kühlkanälen aus Kupfer berichtet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein supraleitfähiger Hochfrequenz-Resonator aus Niob, der zu Kühlzwecken mit einem Kühlmantel aus einem anderen Metall umgeben ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden Verfahren und Vorrichtungen nach den Ansprüchen 1 bis 6 vorgeschlagen. Mit diesen Verfahren wird ein Hochfrequenz-Resonator aus Niob mit einem gut kühlbaren Mantel hergestellt, bei dem eine einwandfreie Verbindung zwischen Niob und Kühlmantel gewährleistet ist und dennoch die Verformung von plattierten Niob-Blechen vermieden wird. Bis auf die normalerweise mit Elektronenstrahl geschweißten Verbindungen zwischen Resonatoren, Strahlrohren und Niob-Ringen, die technisch keine besonderen Schwierigkeiten bereiten, kann das ganze Herstellungsverfahren im kalten Zustand durchgeführt werden, so daß die inzwischen erreichbaren guten Wärmeleiteigenschaften des Niobs weder durch hohe Temperaturen noch durch interstitielle Sauerstoffaufnahme verändert werden.

Die Figur zeigt einen erfindungsgemäß hergestellten Hochfrequenz-Resonator, und zwar in der linken Hälfte als Längsschnitt und in der rechten Hälfte als Ansicht. Der eigentliche Hochfrequenz-Resonator 1 besteht im Beispiel nur aus einem rotationssymmetrischen Hohlkörper, der aus zwei Schalen 2 von S-förmigem Längsschnitt und zwei koaxialen Strahlrohren 3 mit Flanschen 4 mittels Elektronenstrahl zusammengeschweißt ist. Außerdem tragen die Strahlrohre 3 jeweils einen Niob-Ring 5 mit einer Kupferplattierung 6, an die ein Kühlmantel 7 angeschlossen ist, der den ganzen Resonator zwischen den beiden Ringen 5 mit etwa gleichbleibendem, geringen Abstand umgibt. An diesem Kühlmantel 7 sind Abstandshalter 8 befestigt, die auf dem Niob nur aufliegen und die auch als Leitwände für ein Kühlmedium ausgestaltet sein können. Am jeweils tiefsten und höchsten Punkt eines Resonators (bei waagerechter Achse) ist ein Zuflußstutzen 9 und ein Abflußstutzen 10 vorhanden, die jeweils aus Edelstahl bestehen und mit dem Kühlmantel metallurgisch verbunden sind. Der Kühlmantel 7 wird gemäß Anspruch 1 hergestellt, indem auf den Resonator 1 zwischen den Ringen 5 eine Wachsschicht 11 aufgetragen wird, die in an sich bekannter Weise elektrisch leitend beschichtet und galvanisch verkupfert wird. Diese Verkupferung schließt sich nahtlos an die Kupferplattierung 6 der Ringe 5 sowie an die Abstandshalter 8 und die beiden Stutzen 9 und 10 an. Die Wachsschicht 11 kann eine Dicke von ca. 4 mm haben, während für die aufzutragende Kupferschicht des Kühlmantels 7 bei einem Durchmesser des Resonators von 750 mm eine Dicke von 3 mm ausreichend erscheint. Zum Ausschmelzen der Wachsschicht erscheint eine Temperatur von ca. 100°C ausreichend, bei der keine Änderung der Niob-Eigenschaften zu erwarten sind. Selbstverständlich können gemäß der vorliegenden Erfindung auch Resonatoren aus mehreren Hohlkörpern verwendet werden. Auch die Verwendung anderer Metalle wie Nickel oder Aluminium anstatt Kupfer erscheint möglich.

Bezugszeichenliste

 1 Hochfrequenz-Resonator
 2 Schalen
 3 koaxiale Strahlrohre
 4 Flansche
 5 Niob-Ring
 6 Kupferplattierung
 7 Kühlmantel
 8 Abstandshalter
 9 Zuflußstutzen
10 Abflußstutzen
11 Wachsschicht

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von supraleitfähigen und mit koaxialen Strahlrohren versehenen Hochfrequenz-Resonatoren aus Niob mit Kühlkanälen aus einem anderen Metall, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• 1a) Auf die Niob-Strahlrohre werden mit einem anderen Metall beschichtete Niob-Ringe aufgeschweißt.
• 1b) Auf Niob-Resonatoren und Strahlrohre wird zwischen den Niob-Ringen eine Wachsschicht aufgetragen.
• 1c) Diese Wachsschicht wird stromleitend beschichtet.
• 1d) Auf die Wachsschicht und die beschichteten Ringe wird galvanisch eine Schicht aus einem anderen Metall aufgetragen.
• 1e) Diese Schicht wird mit Anschlußstutzen versehen.
• 1f) Die Wachsschicht wird entfernt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem galvanischen Auftragen der Schicht Abstandshalter und/oder Leitflächen für das spätere Kühlmittel in die Wachsschicht eingebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der Schicht Rohrstutzen für das spätere Kühlmittel auf der Wachsschicht aufgebracht und beim Aufbringen der Schicht galvanisch mit dieser verbunden werden.

4. Supraleitfähiger und mit koaxialen Strahlrohren versehener Hochfrequenz-Resonator aus Niob mit Kühlmantel aus einem anderen Metall, dadurch gekennzeichnet, daß diese Strahlrohre je einen Niob-Ring tragen und diese Ringe mit einem, den Niob-Resonator mit geringem Abstand umgebenden Kühlmantel galvanisch verbunden sind.

5. Hochfrequenz-Resonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Niob-Resonator und Kühlmantel Abstandshalter und/oder Leitflächen für das Kühlmittel angeordnet sind.

6. Hochfrequenz-Resonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmantel galvanisch verbundene Anschlußstutzen für Kühlmittel trägt.