DE69829396T2

DE69829396T2 - Teilchenbeschleuniger-hohlraum mit verstärktem supraleitendem material, und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69829396T2
Application number: DE69829396T
Authority: DE
Inventors: Jean Marini
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1997-09-29
Filing date: 1998-09-28
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2018-09-29
Also published as: US6348757B1; FR2769167A1; EP1020101A1; EP1020101B1; WO1999017592A1; FR2769167B1; DE69829396D1

Description

Gebiet der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf die Ausführung von Strukturen, welche ein supraleitendes Material mit einem mechanischen Verstärkungsmaterial, das gute thermische Eigenschaften besitzt, verbindet. Ein Beispiel einer solchen Struktur sind Bleche oder kleine Rohre aus Niobium, die mit einer Versteifungs- bzw. Verstärkungsschicht, beispielsweise aus Kupfer oder Wolfram, verbunden sind. Solche Aufbauten finden Anwendung auf dem Gebiet der Teilchenbeschleuniger.
Stand der Technik
1A stellt eine Beschleunigerstruktur eines Elektronenbeschleunigers dar. Ein solcher Aufbau weist die Form von sukzessiven Hohlraumzellen 2-1, ..., 2-9 auf. Die Teilchen werden darin durch eine von einem Klystron erzeugte Radiofrequenzwelle beschleunigt. Die Länge L beträgt 1039 mm für eine Frequenz von 1,3 GHz.
Die 1B stellt eine Protonen-Beschleunigungsstruktur dar. Zellen 2-10, ..., 2-13 aus Niobium sind in ein Bad 3 aus flüssigem Helium getaucht. Ein solcher Aufbau hat einen Durchmesser D von 1,1 m für eine Frequenz von 700 MHz.
Die Form und die Dimensionen dieser Hohlräume werden in Abhängigkeit von einer großen Anzahl von Parametern optimiert, die mit den RF-Leistungen, Dunkelströmen, Feldschleppen, etc. verbunden sind. Die Auflösung der Maxwell'schen Gleichungen, die mit den Grenzbedingungen an den Wänden verbunden sind, gestatten die Festlegung der räumlichen und zeitlichen Werte für die elektrischen und magnetischen Felder in einem solchen Aufbau.
Diese elektrischen und magnetischen Felder tragen zu Beschleunigungseffekten an den Partikeln des Strahlbündels bei, aber auch zu Sekundäreffekten, insbesondere zur Erwärmung der Materialien und der Aufbauten, zu Dunkelströmen etc. ...
Im einzelnen führt ein Strom j, der in/an den Wänden des Hohlraums induziert wird, zu einem Hochfrequenz-Leistungsverlust.
Heutzutage werden zwei Typen von Beschleunigern unterschieden: Die sogenannten "heißen" Beschleuniger, die mit Hohlräumen aus Kupfer hergestellt werden, und die "supraleitenden" Beschleuniger, welche Hohlräume aus supraleitendem Material, wie z.B. Niobium verwenden, das unter seine kritische Temperatur T_c abgekühlt wird, um es supraleitend zu machen. Die kritische Temperatur T_c für Niobium beträgt 9,3 K, was impliziert, die Struktur in einem flüssigen Heliumbad abzukühlen (bei atmosphärischem Druck ist Helium bei 4 K flüssig).
Im ersten Fall dient bei Warmbeschleunigern ein großer Teil der vom Netz gelieferten elektrischen Energie dazu, das Kühlwasser der Kupferstrukturen zu erwärmen. Im Fall eines supraleitenden Beschleunigers dient der Großteil der elektrischen Energie dazu, den Partikelstrahl zu beschleunigen, was das ganze Interesse für Supraleitfähigkeit hinsichtlich des Elektrizitätsverbrauchs verständlich macht. Trotzdem wird ein geringer Teil (aber nicht Null) der HF-Energie in einer feinen Schicht supraleitender Materie, als LONDON-Schicht bezeichnet, zerstreut. Die typische Dicke der LONDON-Schicht beträgt etwa 100 nm und hängt nicht von der Frequenz ab, wie dies für die in einem normalen Leiter induzierten Ströme der Fall ist. Diese abgeleitete bzw. zerstreute Energie gestattet es, die Variationen der charakteristischen Kurve eines supraleitenden Hohlraums Q(E_acc) oder den Qualitätsfaktor in Abhängigkeit von dem beschleunigenden Feld zu erklären. Da die abgeleitete Energie mit dem beschleunigenden Feld zunimmt, folgt die charakteristische Kurve einer abfallenden Neigung als Funktion des Feldes.
Die von Bardeen, Cooper und Schrieffer 1957 erstellte BCS-Theorie über die Supraleitfähigkeit gestattet es, den entsprechenden Widerstand (sogenannter BCS-Widerstand) und die Verluste durch Joul'schen Effekt, die von der Frequenz und der Temperatur abhängen, vorauszusagen.
Zu diesem Widerstand R_BCS ist ein Restwiderstand hinzuzufügen, der mit den strukturellen Mängeln, mit Zwischengitteratomen von Verunreinigungen, mit eingeschlossenem Gas ... verbunden ist.
Bei einem Aufbau mit supraleitenden Hohlräumen ist also davon auszugehen, dass die Dicke des supraleitenden Materials (beispielsweise Niobium), welche den supraleitenden Hohlraum bildet, mehrere Rollen spielt:

1 – Die Rolle einer supraleitenden Schicht als Innenhaut auf der leeren Seite des Hohlraums.
2 – Die Rolle eines Wärmeableiters für den Rest der Dicke, die ermöglicht, dass die von den BCS- und Restwiderständen in der LONDON-Schicht erzeugten Kalorien zu dem Heliumbad hin abfließen.
3 – Die Rolle einer mechanischen Struktur, welche die Beibehaltung der internen Form ermöglicht, wobei die Grenzbedingungen am elektromagnetischen Feld festgemacht werden, das in dem Rohraufbau und in den Beschleunigungs-Hohlräumen erzeugt wird.

Die vorstehend erwähnte Optimierung gestattet es, zu Kompromissen zu gelangen, welche allgemein eine Optimierung der RF(oder HF)-Formen und -Eigenschaften ermöglicht, die Fragen der mechanischen Stabilität und der thermischen Eigenschaften solcher Aufbauten jedoch offen lässt.
Bei der Funktion einer Beschleunigungsvorrichtung müssen die mechanischen und geometrischen Bedingungen stabil bleiben, um die Struktur der Hohlräume, die auf die Frequenz des Klystrons abgestimmt ist, beizubehalten. Verschiedene Ursachen können dieser Funktionsstabilität entgegenwirken: Lorentz'sche Kräfte, die einen Druck in den Zellen erzeugen und zu deren Verformung tendieren, mechanische Schwingungen, die von außen induziert werden und insbesondere durch die Druckschwankungen des flüssigen Heliumbads etc. induziert werden.
Bei Übergangszuständen, wenn die HF-Welle in die Hohlräume eingeleitet wird, wird der Aufbau den Lorentz'schen Kräften ausgesetzt, welche eine Tendenz haben, ihn zu verformen und ihn fehlauszurichten. Um dies zu vermeiden, müssen starre Strukturen hergestellt werden.
Ein Beispiel einer solchen verstärkten bzw. versteiften Struktur ist in 2A dargestellt. Ein gewelltes Rohr 4 wird mit einer starken Dicke von supraleitendem Material, allgemein Niobium, hergestellt, was kostspielig ist. Das Rohr ist nämlich eine Baueinheit von Elementarteilen 5, 7, 9, 11, die durch Schweißnähte 6, 8, 10 zusammengebaut sind.
Der Einsatz von dickem Niobium führt zur Verwendung einer großen Menge an sehr teurem Material (zwischen 1500 Francs und 5000 Francs pro Kilo), ein Verfahren, das für Maschinen bzw. Vorrichtungen, die eine große Anzahl von Hohlräumen einsetzen, nicht in Betracht zu ziehen ist.
Eine andere bekannte Struktur, die schematisch in 2B dargestellt ist, besteht darin, Teile des Hohlraums aus Material 12 mittlerer Dicke zu verwenden, diese untereinander durch Schweißnähte 16 zusammenzuschweißen und sie durch einen Ring 14 auf Höhe der Iris (Regionen oder Zonen mit geringerem Durchmesser) zu verstärken. Um der Wirkung der Lorentz'schen Kräfte entgegenzuwirken, erfordert die Verwendung von weniger dickem Niobium infolgedessen das Anschweißen von Versteifungs- bzw. Verstärkungselementen 14, was das Herstellungsverfahren kompliziert und die Kontrolle der Dimensionen wegen Einschnürungen bzw. Materialschrumpfungen nach dem Verschweißen erschwert. Außerdem sind mit einer solchen Technik nur schwer reproduzierbare Dimensionen zu erhalten.
Eine weitere Technik (2C) besteht in der Aufbringung einer feinen Schicht 22 aus Niobium auf einen Träger 20 aus Kupfer mit starker Dicke. Dieses Verfahren gestattet die Lösung des Problems der Versteifung bzw. Verstärkung des Aufbaus. Der erzielte Aufbau besitzt aber Einschränkungen hinsichtlich des beschleunigenden Feldes, das man erreichen kann. Aus mit dem Aufbau der supraleitenden Schicht aus Niobium, die durch "Sputtern" auf das Kupfersubstrat aufgebracht werden, verknüpften Gründen bleiben nämlich die maximalen elektrischen Felder, die erzielt werden können, in der Größenordnung von 10 MV/m. Für andere Vorrichtungen, insbesondere die Kollisionsvorrichtungen e⁺-e^–, ist dieses Feld vollkommen ungenügend.
Außer den mechanischen Problemen stellen sich auch thermische Probleme. Die thermischen Bedingungen müssen derart aufrechterhalten werden, dass das Niobium in der Innenhaut unterhalb der kritischen Temperatur T_c und unterhalb des kritischen Feldes H_c bleibt. Damit die thermischen Bedingungen aufrechterhalten werden können und das Niobium bei der LONDON-Dicke supraleitend bleibt, ist es nötig, dass im Fall eines Hitzepunktes auf der inneren Oberfläche auf der leeren Seite des Beschleunigers die Kalorien schnell zum Heliumbad hin abgeführt werden können.
Mehrere Gründe können zum Entstehen eines Hitzepunkts führen:

1) – Die HF-Verluste durch einen Joul'schen Effekt infolge des globalen und homogenen Oberflächenwiderstands, der gleichmäßig verteilt ist und von der BCS-Theorie und dem Restwiderstand umschrieben ist. Eine vollständigere Theorie, welche mit nicht-quadratischen Verlusten arbeitet und von W. Weingarten dargestellt wurde ("Progress in thin film techniques", CERN-European Laboratory for Particle Physics, Genf, Schweiz, 7ter Workshop zu RF-Supraleitfähigkeit, Paris, 1995), zeigt, dass die Supraleitungsverluste durch die folgende Formel ausgedrückt werden können, welche den Supraleitungswiderstand ergibt (gemessen im nΩ/mT):
Der erste Term beschreibt die BCS-Verluste, der zweite die Verluste infolge des Restwiderstands und der dritte die nicht-quadratischen Verluste. Die den zweiten und dritten Termen entsprechenden Verluste erklären sich durch die metallischen, nicht-supraleitenden Einschlüsse wie z.B. Tantal, die nach den metallurgischen Herstellungsprozessen von Niobium noch in der Niobium-Matrix enthalten sind, aber auch durch die aufgelösten Verunreinigungen (Sauerstoff, Kohlenstoff, ...).
2) – Die HF-Verluste infolge der Feldemission und eventuell auch infolge von Elektronenemissionen durch thermoionischen Effekt. Über ein bestimmtes Oberflächenfeld hinaus werden Elektronen nach der Theorie von Fowler-Nordheim von der Oberfläche extrahiert. Sie können dabei durch die elektromagnetischen Felder, die in der Struktur herrschen, beschleunigt werden. Diese durch Feldeffekt emittierten und durch die elektromagnetische Welle beschleunigten Elektronen können anschließend mit der Struktur der Hohlräume an einem anderen Ort kollidieren und zerstreuen ihre kinetische Energie in Form von Wärme.
3) – Die dielektrischen HF-Verluste auf der Ebene der Stäube und Verunreinigungen dielektrischer Natur, die im Inneren der Hohlräume beim Herstellungsprozess gelassen worden sein könnten.

Um diese Quellen von "Hitzepunkten" zu minimieren, muss also extrem reines Niobium eingesetzt werden, bei niedriger Temperatur gearbeitet werden, Oberflächenzustände ohne Oberflächenrauhigkeiten erhalten werden und jegliche Ablagerung von Stäuben auf der HF-Seite vermieden werden.
Wenn man mit einem hohen Beschleunigungsfeld arbeiten will, und demzufolge auch mit starkem Magnetfeld auf der Ebene des Äquators, kann die Erzeugung von Wärme nicht vermieden werden. Wie H. Padamsee in "Calculations for breakdown induced by 'Large defects' in superconducting niobium cavities" erschienen in IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 19, 1983, S. 1322–1325, gezeigt hat, geht selbst bei Abwesenheit von Fehlern bzw. Mängeln, wenn lokal das kritische Feld H_c erreicht ist, das Material vom supraleitenden Zustand in den normalen Zustand über.
Diesseits dieser Grenze muss diese auf diese Weise an der Innenwand des Hohlraums erzeugte Wärme so wirksam wie möglich zum Heliumbad hin evakuiert werden, um den Temperaturanstieg der Innenwand des Hohlraums einzuschränken.
Wenn der rasche Zugang zur Kältequelle ungenügend ist, kann sich eine lokalisierte thermische Störung ausdehnen und schließlich zu einem Durchgehen (emballement) des Hohlraums führen, das im angelsächsischen Jargon als "Quench" bezeichnet wird (Übergang der HF-Wand vom supraleitenden Zustand zum resistiven normalen Zustand).
So beginnt allgemein ein "Quench" oder "thermischer Breakdown" in einem Bereich, in dem ein stärkerer Widerstand existiert, oder in einem "nicht-leitenden" Bereich, oder an einem Mangel bzw. Fehler oder einem Fremdkörper auf der Oberfläche des supraleitenden Materials.
Wenn lokal bei einem Fehler mehr Wärme erzeugt wird als die, die in Richtung zum Heliumbad hin abziehen kann, steigt die Temperatur in der Zone, und die Zone tendiert zu einer Zone von "Nicht-Supraleitfähigkeit", die sich anschließend ausdehnt, bis die Gesamtheit der im Hohlraum gespeicherten Energie in die heiße Zone abgeführt wird.
Somit wird verständlicherweise versucht, eine hohe Wärmeleitfähigkeit der Wand des Hohlraums zu erreichen, um diese Erscheinung des "thermischen Breakdowns" zu vermeiden, und zwar auch bei geringen Werten der beschleunigenden Felder.
Übrigens ist die von den Strömen in der LONDON-Schicht erzeugte Leistungsdichte proportional zum Quadrat des lokalen magnetischen Feldes B_s. Die Größe des lokalen Magnetfeldes B(s) längs des Meridians weist einen am Äquator erreichten Maximalwert auf (in der Zone des größten Durchmessers).
Vom Äquator aus in Richtung der Iris nimmt B_s zuerst langsam und dann schneller ab, wenn vom Äquator zur Iris übergegangen wird.
Ein Fehler bzw. Mangel würde also nicht die gleiche Schädlichkeit aufweisen, wenn er am Äquator gelegen ist oder wenn er sehr weit vom Äquator weg zur Iris hin gelegen ist. Außerdem ist die Äquatorzone besonders empfindlich hinsichtlich Mängeln der Supraleitfähigkeit, da die Foucault'schen Ströme, die auf der Ebene normaler Elektronen an der Innenhaut induziert werden, in dieser Zone wegen des starken Magnetfelds größer wären.
Infolgedessen ist die "Schädlichkeit" eines Fehlers nicht identisch mit seiner geographischen Position in dem Hohlraum. Wenn im übrigen alles andere gleich bleibt, hat er, wenn er in Nähe des Äquators in einer Zone, in der das Magnetfeld maximal ist, gelegen ist, die Tendenz, eine größere Schädlichkeit im Hinblick auf den "Quench" aufzuweisen als wenn er in der Umgebung der Iris gelegen ist.
Hingegen ist ein Fehler an der Oberfläche oder sehr nahe an der Oberfläche in Nähe der Iris gegenüber dem elektrischen Feld empfindlicher und neigt dazu, Elektronen gemäß dem Gesetz von Fowler-Nordheim zu emittieren, oder eventuell sogar (gemäß dem Gesetz von Richardson) einfach durch thermoionischen Effekt.
Wenn supraleitende Hohlräume gemäß dem derzeitigen Verfahren hergestellt werden, wobei Niobiumbleche eingesetzt werden, die tiefgezogen werden und durch Elektronenstrahlen von außen her geschweißt werden, entstehen Fehler bzw. Mängel. Verunreinigungen kommen lokal auf Ebene des Schmelzbades und damit, im Fall des heute eingesetzten Verfahrens, am unteren Ende der Schweißnaht auf der leeren Seite des Aufbaus vor.
Da außerdem das derzeitige Verfahren darin besteht, eine Schweißnaht auf Höhe des Äquators herzustellen, und, wie oben erwähnt wurde, dies die Zone ist, in der das stärkste Magnetfeld herrscht, hat man bei diesem Verfahren alle Chancen, einen Hitzepunkt in diesem Bereich zu erzeugen. Übrigens muss, da Niobium sehr sauerstoffhungrig ist, ein sehr gutes Vakuum in dem Behälter vorhanden sein, wenn die Schweißnähte durch Elektronenstrahlen erstellt werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass beim Schweißprozess das Bad aus geschmolzenem Metall den Sauerstoff des Behälters absorbierte und damit lokal eine Zone schaffte, in der die Reinheit von Niobium beeinträchtigt war.
Alle diese Erwägungen zeigen die zu überwindenden Schwierigkeiten bei der Herstellung eines Gegenstands auf industrieller Ebene auf zuverlässige Art und Weise und mit reproduzierbaren Ergebnissen, der so viele "schlecht plazierte" Schweißstellen aufweist (vom Gesichtspunkt der "Supra"-Fehler) wie die in den 2A oder 2B dargestellten. Es ist übrigens schwierig, reproduzierbare Vakuumzustände auf so schwachen Niveaus herzustellen wie 10^–9 torr, wenn Schweißnähte durch Elektronenstrahlen hergestellt werden.
Die aktuellen Aufbauten von der Art der in den 2A und 2B dargestellten verwenden eine große Anzahl von Schweißnähten, und diese Zonen sind besonders kritisch, vor allem die auf Höhe der Äquatoren gelegenen.
Außerdem besteht bei den praktizierten Schweißtechniken die Tendenz, Verunreinigungen zum Innern hin zu konzentrieren (dort, wo sich die LONDON-Schicht befindet), was unter anderem den Restwiderstand erhöht.
Um der "Quench"-Erscheinung oder dem thermischen Durchgehen des Hohlraums infolge des Auftretens eines Hitzepunkts entgegenzuwirken, muss bei den bekannten Aufbauten Material großer Reinheit verwendet werden, welches eine erhöhte thermische Leitfähigkeit aufweist (entsprechend einem RRR mindestens über 200), d.h. Materialien, deren Reinigungskosten zu den gewöhnlichen Kosten von industriellen Standardmaterialien hinzukommen (das RRR oder "Residual Resistance Ratio" ist ein Maß für die Materialreinheit, wobei Strukturmängel und mikroskopische oder makroskopische Verunreinigungen mitzählen. Es ist auch durch das Verhältnis zwischen dem spezifischen elektrischen Widerstand im Kaltzustand und dem spezifischen Widerstand bei Umgebungstemperatur definiert).
Im Fall von Niobium aber, selbst wenn Niobium großer Reinheit eingesetzt wird, ist anzumerken, dass die thermische Leitfähigkeit dieses Materials beispielsweise im Vergleich zu derjenigen von Kupfer oder Aluminium nicht sehr gut ist. Außerdem ist anzumerken, dass in dem Fall, in dem der von einem Hitzepunkt erzeugte Wärmefluss nicht in der Dicke von Niobium aufgenommen werden kann, dass der Grenzflächenwiderstand zwischen Niobium und flüssigem Helium nicht vernachlässigbar ist.
So gestatten es die oben beschriebenen Aufbauten und Verfahren nicht, gleichzeitig die gewünschte mechanische Stabilität und die thermischen Bedingungen zu erzielen, insbesondere bei hohen beschleunigenden Feldern.
Die Dokumente JP-0 2220399 und JP-0 2220400 (Patent Abstracts of Japan, OEB) schlagen eine spezielle Herstellungstechnik von supraleitenden Hohlräumen aus Niobium vor, deren Wände mit einem thermisch gut leitenden Metall mittels eines Aufbringungsverfahrens durch Plasmaspritzen bedeckt sind bzw. werden.
Aufgrund dieser Technik kann ein supraleitender Hohlraum hergestellt werden, der ein Blech oder ein Rohr aus supraleitendem Material aufweist, welches die angemessene Form hat und verbesserte thermische Eigenschaften aufweist.
Es bleibt jedoch das Problem der Starrheit bzw. Steifigkeit der Zellen und des Hohlraums.
Wie vorher erwähnt wurde, kann die Starrheit bzw. Steifigkeit eines Hohlraums mit einer Mehrzellenstruktur verbessert werden, indem Versteifungs- bzw. Verstärkungselemente in Form von Ringen angeschweißt werden (2B).
Außer den bereits erwähnten Problemen von mechanischen Zwängen infolge von Einschnürungen der Schweißnähte scheint es, dass das Vorhandensein von Ringen kaum mit der Plasmaspritztechnik kompatibel ist.
Abriss der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Hohlraum eines Teilchenbeschleunigers und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Hohlraums vorzuschlagen, welcher/welches die oben dargelegten Probleme lösen kann.
Eine Aufgabe besteht insbesondere darin, einen solchen Beschleunigerhohlraum vorzuschlagen, der ausgezeichnete thermische Eigenschaften und mechanische Steifigkeit bzw. Starrheit aufweist und der besonders niedrige Herstellungskosten hat.
Die Starrheit bzw. Steifigkeit des Hohlraums kann sicherlich verbessert werden, indem eine durch Aufspritzen dickeren Plasmas hergestellte Metallschicht aufgebracht wird. Die Herstellung einer dicken Metallschicht stellt sich jedoch außer den Kosten, die sie darstellt, als sehr komplex und langwierig heraus, wenn man die Bedingungen des Plasmaspritzens berücksichtigt.
Um die obigen Zielsetzungen zu erreichen, ist die Aufgabe der Erfindung im einzelnen ein Hohlraum eines Teilchenbeschleunigers mit mehreren Zellen, bei dem die Zellen einen Bereich größeren Durchmessers aufweisen, der als Äquatorbereich bezeichnet wird, sowie Endbereiche kleineren Durchmessers, die als Irisbereiche bezeichnet werden, die untereinander die Zellen verbinden, wobei die Zellen von einer Wand aus einem Material mit Supraleitereigenschaften, die mit mindestens einer Schicht aus wärmeleitendem Material bedeckt ist, begrenzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus wärmeleitendem Material in den Irisbereichen der Zellen eine größere Dicke aufweist als in deren Äquatorbereichen.
Es stellte sich heraus, dass es einfach durch Erhöhen der Dicke der wärmeleitenden Materialschicht in den Irisbereichen der Zellen möglich ist, die mechanische Festigkeit bzw. Steifigkeit des Hohlraums stark zu verbessern. Die nicht konstante Eigenschaft der Dicke gestattet es nämlich, den Lorentz-Kräften, welche auf die Wand einwirken, effizient entgegenzuwirken. So wird die Anordnung von Ringen oder anderen Versteifungselementen überflüssig.
Die geringere Dicke des thermisch leitenden Materials in den Äquatorbereichen beeinträchtigt die Festigkeit nicht.
Es kann eine geringere Menge an thermisch leitendem Material eingesetzt werden und die Aufbringungszeit dieses Materials kann verkürzt werden. Die Herstellungskosten des Hohlraums werden dadurch gesenkt.
Außerdem kann, sobald eine bessere Festigkeit bzw. Steifigkeit des Hohlraums erzielt worden ist, die Dicke der supraleitenden Materialschicht ebenfalls reduziert werden. Dies trägt zu einer weiteren Kostensenkung bei.
Ein erfindungsgemäßer Hohlraum kann insbesondere für Elektronen- oder Protonenbeschleuniger eingesetzt werden.
Wie vorher festgestellt wurde, kann das thermisch leitende Material durch Plasmaspritzen gebildet werden.
Das Plasmaspritzen ermöglicht den Erhalt einer porösen Struktur, indem eine Grenzfläche hergestellt wird, deren abgewickelte Gesamtoberfläche größer sein kann als die nach dem Stand der Technik erzielte. Diese Zunahme der Austauschfläche ermöglicht es, die thermischen Austausche zwischen dem flüssigen Helium und der eventuellen Wärmequelle, die sich auf lokale Art entwickeln könnte, zu verbessern.
Die Zunahme der Austauschfläche zwischen Materialien gestattet es, den Kapitza-Widerstand oder den thermischen Grenzflächenwiderstand zu reduzieren, der eine der physikalischen Eigenschaften ist, welche die Wärmeleistungen der supraleitenden Struktur bestimmen.
Das Aufbringungsverfahren durch Plasmaspritzen ermöglicht es je nach Größe der die Pulver bildenden Teilchen und je nach den Einstellungen des Plasmabrenners, poröse Schichten zu erhalten, deren Porosität angepasst werden kann.
Außer dem bereits erläuterten thermischen Vorteil ermöglicht eine solche Schicht, welche den Aufbau festigt bzw. versteift, außerdem eine wirksame Dämpfung von Vibrationen der geriffelten Haut des supraleitenden Materials.
Wenn das supraleitende Material Niobium ist, kann die Austauschfläche noch weiter vergrößert werden, indem vorteilhafterweise auf die Außenfläche der Struktur eine feine Niobiumschicht aufgespritzt wird, bevor das Kupfer oder das zweite die Struktur versteifende Material aufgespritzt wird. Außerdem kann zur Erleichterung der Wärmeaustausche die Schicht aus wärmeleitendem Material mit einer Schicht eines Materials bedeckt werden, das eine geringere akustische Impedanz aufweist als die des thermisch leitenden Materials.
Tatsächlich kann der Kapitza-Widerstand zwischen dem Kupfer (oder dem mittels Plasma aufgebrachten Material) und dem flüssigen Helium weiter verbessert werden, indem beispielsweise eine Aluminiumschicht aufgebracht wird, welche die akustische Anpassung zwischen zwei Elementen realisiert, von denen eines ein Feststoff mit starker akustischer Impedanz und das andere eine Flüssigkeit mit geringer akustischer Impedanz ist.
Wenn die Form der Zellen dies gestattet (d.h. wenn das Verhältnis zwischen dem Durchmesser am Äquator und dem Durchmesser der Iris nicht zu hoch ist), kann der Hohlraum anhand eines Rohrs ohne Schweißnaht gebildet werden, das man durch ein bekanntes Verfahren, wie z.B die Hydroformung, die Aussenwulstbildung, die Warmformung, die Formung durch Explosion, die Magnetoformung, ... verformt. Wenn das Rohr mit seinen Wellungen entstanden ist, versteift man die Struktur, indem von außen Pulver, beispielsweise aus Kupfer, auf die Außenfläche gespritzt wird, statt wie beim Stand der Technik (2B) einen Außenring anzuschweißen. Es kann auch Wolfram oder irgendein anderes Material verwendet werden, das gute thermische Eigenschaften besitzt.
Wenn die Dimensionen der Hohlräume derart sind, dass ein Verformungsverfahren des Rohrs ohne Schweißvorgang eingesetzt werden kann, ohne zu einem Zerreißen von Metall zu führen, kann man von tiefgezogenen Dünnblechelementen ausgehen, die durch Schweißnähte verbunden werden, welche durch Laserstrahl oder durch Elektronenstrahl gemäß bekannten Techniken hergestellt werden. Wegen des starken Risikos, die eine Schweißnaht auf Höhe des Äquators darstellt, kann diese vorteilhafterweise an einen anderen Ort verlegt werden.
Sobald die Struktur mit ihren Wellungen, die aufeinanderfolgende Zellen bildet, entstanden ist, wird die Einheit von außen durch Plasmaspritzen des thermisch leitenden Materials auf die oben beschriebene Weise versteift bzw. verstärkt.
Unter thermisch leitendem Material versteht man ein Material, das gute thermische Eigenschaften besitzt, welche die Evakuierung eines "Quench" ermöglicht. Kupfer oder Wolfram sind beispielsweise gute Kandidaten hierfür.
Aufgabe der Erfindung ist auch ein Herstellungsverfahren eines Beschleunigerhohlraums mit mehreren Zellen mit Äquatorbereichen größeren Durchmessers und Irisbereichen kleineren Durchmessers, die durch eine Trennwand aus supraleitende Eigenschaften aufweisendem Material begrenzt sind, wobei eine thermisch leitende Materialschicht auf der Oberfläche der Wand durch Plasmaspritzen ausgebildet wird. Gemäß der Erfindung wird das thermisch leitende Material derart aufgespritzt, dass in den Irisbereichen eine dickere Schicht als in den Äquatorbereichen ausgebildet wird.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung klarer hervor. Diese Beschreibung bezieht sich auf zur Erläuterung gegebene, nicht einschränkende Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:
Die bereits beschriebenen 1A und 1B Darstellungen der bekannten supraleitenden Hohlräume für Elektronen- oder Protonenbeschleuniger,
die bereits beschriebenen 2A bis 2C bekannte verfestigte supraleitende Strukturen,
3 ein Plasmaspritzverfahren eines Materials für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Hohlraums,
4 eine Darstellung eines Aufbaus eines Hohlraums aus Niobium mit in Bezug auf den Äquator versetzten Schweißnähten, und
5 eine Struktur des Hohlraums gemäß der Erfindung mit einem Überzug variabler Dicke.
Detaillierte Darstellung von Ausführungsformen der Erfindung
Ein Herstellungsverfahren eines erfindungsgemäßen Hohlraums verwendet ein Element wie z.B. ein Blech oder ein dünnes Rohr aus einem supraleitenden Material, beispielsweise aus Niobium, mit einer Dicke kleiner 1 mm (beispielsweise: 0,5 mm, oder einige zehntel Millimeter), das man mittels einer äußeren Beschichtung zu versteifen versucht. Das heißt es wird ein Plasmaspritzvorgang auf die Außenfläche des Elements aus supraleitendem Material durchgeführt. Die Pulverspritzverfahren mittels Plasmatechnik sind beispielsweise in dem Artikel von M. DUCOS mit dem Titel "Revêtement par projection thermique" erschienen in Technique de l'Ingenieur, Vol. M5, 1645, S. 1–23 beschrieben. Der Artikel von F. Brossa et al. mit dem Titel "Plasma Spraying, A Versatile Coating Technique", erschienen in Advanced Techniques for Surface Engineering, W. Gisoler und H. A. Jehn, Herausgeber, 1992, beschreibt ebenfalls diese Technik.
Die erhaltene Struktur umfasst also das gewählte Element, beispielsweise ein Blech oder ein Rohr, das mit einem Material überzogen ist, welches durch Plasmaspritzen aufgespritzt wurde und die in dem oben zitierten Artikel von M. DUCOS beschriebenen Eigenschaften aufweist (sh. insbesondere § 2.2 dieses Dokuments). Im einzelnen weist die Beschichtung eine bestimmte Porosität auf. Dies ist insbesondere der Fall für eine Beschichtung aus Kupfer oder Wolfram, die auf ein Blech oder ein dünnes Rohr aus Niobium aufgebracht wird. Diese Porosität ermöglicht im Fall einer Anwendung eines supraleitenden Hohlraums eine wirksamere Abkühlung. Der Hohlraum wird nämlich in ein flüssiges Heliumbad getaucht, und dieses kann wegen seiner Eigenschaften leicht in die porösen Stellen des aufgebrachten Materials eindringen. Daraus ergibt sich eine wirksamere Abkühlung der Struktur.
Wenn die Form des Hohlraums es gestattet, kann dieser anhand eines unverschweißten Rohrs, das durch ein bekanntes Verfahren verformt wird, beispielsweise die Hydroformung oder die Hydroformung mit Flammtrocknung, hergestellt werden. Es kann auch die Warmformung oder die Formung durch Explosion eingesetzt werden.
3 stellt eine dünne gewellte Struktur aus Niobium 30 dar, auf die eine Beschichtung durch Plasmaspritzen mittels eines Spritzgeräts oder einer Pistole 32 aufgebracht wird. Eine Plasmaspritze oder Plasmapistole ist in dem oben bereits zitierten Artikel von M. DUCOS beschrieben. Es kann beispielsweise ein Material vom Typ "Sulzer-Metco" verwendet werden.
Wie aus 3 zu ersehen ist, weist der von der Wand aus Niobium festgelegte Hohlraum eine Aufeinanderfolge von Kappenzellen mit Drehsymmetrie auf.
Die Zellen weisen jeweils einen Äquatorbereich 46 größeren Durchmessers sowie Irisbereiche 44 geringeren Durchmessers auf.
Die Irisbereiche verbinden die Zellen untereinander.
Wenn die Dimensionen der Hohlräume derart sind, dass ein Verformungsverfahren des schweißnahtfreien Rohrs nicht erfolgen kann, ohne ein Zerreißen des Metalls zu verursachen, wird eher von tiefgezogenen Dünnblechen ausgegangen, die durch Schweißnähte verbunden werden, die mittels eines Laserstrahls oder durch Elektronenstrahlen gemäß bekannten Techniken hergestellt werden. Vorteilhafterweise sind gemäß 4 die Schweißnähte 34, 36, 38, 40 nicht auf Höhe der Äquatorbereiche ausgeführt, sondern sind auf beide Seiten des Äquators versetzt. Gemäß der Erfindung ist die Struktur der 4 dazu vorgesehen, anschließend mit einer Außenverkleidung durch Plasmaspritzen beschichtet zu werden, wie oben beschrieben wurde.
Das Spritzmaterial kann Kupfer oder Wolfram oder ein Gemisch aus Pulvermaterialien sein, welche die Herstellung einer porösen thermischen Schicht ermöglichen. Beispielsweise kann auch eine progressive Cu-Al-Schicht in dem Fall einer auf Niobium erfolgenden Aufbringung hergestellt werden: Das Kupfer wird hierbei in Kontakt mit dem Niobium aufgebracht, mit dem es eine gute akustische Impedanz aufweist, und anschließend nähert man sich, je weiter man sich vom Niobium entfernt, einer Zusammensetzung aus reinem Aluminium, wobei das Aluminium eine akustische Impedanz annähernd derjenigen von Helium aufweist. Die Einheit weist nun eine akustische Impedanz auf, die sich regelmäßig von derjenigen von Niobium bis zu derjenigen von flüssigem Helium, in die der Hohlraum getaucht ist, hin entwickelt.
Als Variante kann auch eine erste Kupferschicht hergestellt werden und dann darauf eine Aluminiumschicht gespritzt werden, wobei eine akustische Anpassung zwischen der Kupferschicht und dem Helium erfolgt.
Gemäß der Erfindung werden lokal stärkere Schichten aufgebracht. Wie in 5 dargestellt ist, kann beispielsweise in der Umgebung der Iris 44 mit einer gewellten bzw. geriffelten Struktur eine thermisch leitende Schicht 45 aufgebracht werden, die auf Höhe des Äquators 46 dieser Struktur stärker ist. Wenn L₂ die Dicke der Schicht auf Höhe der Iris bezeichnet, und L₁ die Dicke der Schicht auf Höhe des Äquators bezeichnet, ergibt sich: L₂ < L₁, beispielsweise L₂ = 2L₁.
Wie die Figur zeigt, kann die Dicke der Schicht(en) kontinuierlich zwischen den Werten L1 und L2 variieren.
Die numerischen Werte von L1 und L2 sind den Dimensionen des Hohlraums angepasst. Als Beispiel können Werte wie 1 mm < L₁ < L₂ < 5 mm angegeben werden.
Der Aufbau gemäß der Erfindung ermöglicht es, eine Versteifung, d.h. eine mechanische Verstärkung einer supraleitenden Struktur zu erhalten. Insbesondere im Fall eines Hohlraums für Teilchenbeschleuniger wird eine gute mechanische Stabilität hinsichtlich der Lorentz'schen Kräfte erhalten. Der Beschleuniger umfasst hierbei ein Wellungen bzw. Riffelungen aufweisendes Rohr mit der in der 1A oder 1B dargestellten Form, wobei dieses Rohr aus supraleitendem Material von einer durch Plasmaspritzen aufgebrachten Materialschicht nach obiger Beschreibung verstärkt ist. Der Beschleuniger umfasst außerdem Mittel zum Einführen einer Radiofrequenzwelle (ein Klystron), einen Behälter flüssigen Heliums sowie Mittel, die zur Erzeugung eines elektrischen Beschleunigungsfeldes geeignet sind.
Die Erfindung ermöglicht außerdem eine Verbesserung der thermischen Eigenschaften des supraleitenden Materials. Die physikalischen Eigenschaften, welche die thermischen Leistungen des supraleitenden Elements und damit, im Fall von Hohlräumen für Beschleuniger der den Aufbau der Hohlräume bildenden Dicke hinsichtlich einer verfügbaren Enthalpie-Reserve und ein Zugang zu der Kältequelle bestimmen, sind:

– die thermische Leitfähigkeit λ in W/mK,
– die spezifische volumetrische Wärme ρC_v, oder ρ und C_v, bezeichnen jeweils die volumetrische Masse und die spezifische Wärme bei konstantem Volumen,
– der thermische Grenzflächenwiderstand zwischen Materialien, auch Kapitza-Widerstand RK genannt. Dieser Widerstand gibt die Wirkung eines Temperatursprungs an den Grenzflächen bei Vorhandensein eines Wärmeflusses wider. Man kann auch von Grenzflächen-Leitfähigkeit h_K sprechen

Was den letzteren Parameter h_K betrifft, so ist festzustellen, dass der thermische Grenzflächenwiderstand zwischen zwei Materialien von der thermischen Koppelung abhängt, die mit akustischen Phonomen in auf beiden Seiten der Grenzfläche gelegenen Milieus verknüpft ist. Die thermische Kopplung ist um so schlechter, je größer eine akustische Fehlanpassung zwischen den beiden Milieus ist.
Was den mit den Phononen verbundenen Wärmefluss betrifft, so kann aufgezeigt werden, dass dieser an einer Schnittstelle bzw. Grenzfläche von der Austauschfläche zwischen den beiden Grenzflächen abhängt. Je größer die Austauschfläche ist, um so stärker ist der Wärmefluss. Die Verkleidungs- bzw. Beschichtungsstruktur gemäß der Erfindung, die die Herstellung einer porösen Beschichtung ermöglicht, welche somit eine große Austauschfläche aufweist, gestattet eine starke Verbesserung der thermischen Austausche zwischen dem Element aus supraleitendem Material, beispielsweise dem Rohr oder Blech aus Niobium, und seiner äußeren Beschichtung. Im Fall eines Hohlraums für einen Beschleuniger ermöglicht ein effizienter Wärmefluss die Gewährleistung einer thermisch stabilen Funktionsweise des Hohlraums ohne merkliche Verschlechterung der HF-Eigenschaften, der elektrischen Beschleunigungsfelder E_acc sowie des Qualitätsfaktors Q.
Desgleichen wird versucht, auf der Außenseite der Beschichtung über ein festes Material zu verfügen, das eine geringe akustische Impedanz aufweist, um den Grenzflächenwiderstand beim Heliumbad zu verringern. Aus diesem Grund kann vorteilhafterweise eine Aluminiumschicht oder eine Schicht aus einem Material vom Epoxytyp über einer Kupferschicht oder Wolframschicht aufgebracht werden.
Übrigens weist ein Material, welches den Kapitza-Widerstand verbessert, vorzugsweise auch eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Dies ist der Fall bei Aluminium, trifft aber nicht für Epoxyharze zu.

Claims

Hohlraum eines Teilchenbeschleunigers mit mehreren Zellen, bei dem die Zellen einen Bereich größeren Durchmessers aufweisen, der als Äquatorbereich (46) bezeichnet wird, sowie Endbereiche kleineren Durchmessers, die als Irisbereiche (44) bezeichnet werden, die untereinander die Zellen verbinden, wobei die Zellen von einer Wand (30) aus einem Material mit Supraleitereigenschaften, die mit mindestens einer Schicht aus wärmeleitendem Material (45) bedeckt ist, begrenzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus wärmeleitendem Material in den Irisbereichen der Zellen eine größere Dicke aufweist als in deren Äquatorbereichen.
Hohlraum nach Anspruch 1, bei dem die Schicht aus wärmeleitendem Material (45) eine Dicke aufweist, die sich kontinuierlich zwischen einem ersten Wert L₁ an den Äquatorbereichen (46) und einem zweiten Wert L₂ an den Irisbereichen (44) ändert, wobei der erste Wert L₁ kleiner ist als der zweite Wert L₂.
Hohlraum nach Anspruch 2, wobei: 1 mm ≤ L₁≤ L₂ ≤ 5 mm.
Hohlraum nach Anspruch 1, wobei das wärmeleitende Material eine poröse Struktur aufweist.
Hohlraum nach Anspruch 1, wobei das wärmeleitende Material aus Kupfer, Wolfram oder einer progressiven Kupfer-Aluminiumlegierung ausgewählt wird.
Hohlraum nach Anspruch 1, wobei die Wand (30) aus mehreren durch Verschweißen bzw. Verlöten zusammengebauten Elementen (34–40) gebildet ist.
Hohlraum nach Anspruch 1, wobei die Schicht aus wärmeleitendem Material (45) von einer Schicht aus einem Material mit geringerer akustischer Impedanz als der des wärmeleitenden Materials bedeckt ist.
Hohlraum nach Anspruch 1, wobei das Material mit Supraleitereigenschaften Niobium ist.
Verfahren zur Herstellung eines Beschleuniger-Hohlraums, der mehrere Zellen mit Äquatorbereichen (46) größeren Durchmessers und Irisbereichen (44) kleineren Durchmessers umfasst, die von einer Wand (30) aus einem Supraleitereigenschaften aufweisenden Material begrenzt sind, wobei durch Plasmaspritzen eine Schicht aus wärmeleitendem Material (45) an der Oberfläche der Wand gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Material derart aufgespritzt wird, dass in den wärmeleitende Irisbereichen eine dickere Schicht gebildet wird als in den Äquatorbereichen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine poröse wärmeleitende Schicht gebildet wird.