WO2022078553A1

WO2022078553A1 - Hom-gedaempfter supraleitender hohlraumresonator nutzung desselben und verfahren zu seiner erzeugung

Info

Publication number: WO2022078553A1
Application number: PCT/DE2021/100824
Authority: WO
Inventors: Oliver Kugeler; Axel Neumann
Original assignee: Helmholtz-Zentrum Berlin Für Materialien Und Energie Gmbh
Priority date: 2020-10-15
Filing date: 2021-10-13
Publication date: 2022-04-21
Also published as: DE102020127132A1; DE102020127132B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen HOM-gedämpften, supraleitenden Hohlraumresonator, wie ein solcher in Anlagen zur Beschleunigung von elektrisch geladenen Teilchen zur Beschleunigung der Teilchen Verwendung findet und ein Verfahren zu seiner Erzeugung. Der erfindungsgemäße HOM-gedämpfte Hohlraumresonator weist dabei mindesten einen supraleitenden Hohlraumresonator auf. Dieser supraleitende Hohlraumresonator wiederum weist mindestens einen Ort auf der inneren Resonatoroberfläche auf welcher einen erhöhten Oberflächenwiderstand aufweist. Der mindestens eine Ort erhöhten Oberflächenwiderstandes ist dabei durch eine supraleitende oder normalleitende Spule mit oder ohne ferritischem Joch bewirkt, die an dem mindestens einen Ort an einer Außenfläche des Hohlraumresonators angeordnet ist und wobei der mindestens eine Ort durch eine örtliche Lage erhöhter Feldstärken einer oder mehrerer zu dämpfender Moden bestimmt ist.

Description

HOM-qedämpfter supraleitender Hohlraumresonator, Nutzung desselben und

Verfahren zu seiner Erzeugung

Die Erfindung bezieht sich auf einen supraleitenden, elektromagnetischen, Hochfrequenz (HF)-Hohlraumresonator, wie ein solcher in Anlagen zur Beschleunigung von elektrisch geladenen Teilchen zur Beschleunigung der Teilchen Verwendung findet und ein Verfahren zu seiner Erzeugung.

Beschreibung

Elektromagnetische Resonatoren sind Resonanzräume für elektromagnetische Wellen. Für den erfindungsgemäßen Fall handelt es sich um supraleitende Hohlraumresonatoren, in denen hochfrequente Moden angeregt werden. Bei den Resonatoren im erfindungsgemäßen Sinne handelt es sich zudem um Hohlraumresonatoren, auch Cavities oder Kavitäten genannt, die für die Beschleunigung von elektrisch geladenen Teilchen verwendet werden.

Eine Mode (von engl. mode) ist in der Physik die Bezeichnung für eine elektromagnetische Welle, die unter den durch die Geometrie der Resonatoren gegebenen und durch diese bestimmten Randbedingungen existieren kann; mathematisch ergibt sie sich als Lösung einer elektromagnetischen Differentialgleichung (aus den Maxwell-Gleichungen). Besonders wichtig sind hierbei die örtlich stationären Eigenmoden, die meist zur Teilchenbeschleunigung genutzt werden. Jede beliebige Überlagerung von unterschiedlichen Moden ist ebenfalls eine Lösung der oben erwähnten Differentialgleichung und somit eine mögliche Konfiguration von elektromagnetischen Feldern in dem Resonator. Im Idealfall liegt die Grundmode als einzelne Mode im Resonator vor, es müssen jedoch immer auch die Moden höherer Ordnung (Higher Order Mode(s), HOMs) betrachtet werden. Die Grundmode tritt in der Regel als transversal-magnetische Monopol Mode in Erscheinung und zeichnet sich dadurch aus, dass die Bewegung der zu beschleunigenden Teilchen derart getaktet ist, dass das schwingende elektrische Feld der Eigenmode des Resonators einen maximalen Energieübertrag auf die zu beschleunigenden Teilchen leistet.

Ein unerwünschter Effekt, welcher in einem Resonator bei der Beschleunigung von Teilchen, insbesondere bei großen Teilchenströmen, auftritt, ist die Rückkopplung des Feldes der elektrisch geladenen Teilchen selbst auf den Resonator (Spiegelladung). Hierdurch werden HOMs angeregt, was zum einen den Vorgang der Teilchenbeschleunigung beeinträchtigen kann, bzw. die Eigenschaften des beschleunigten Teilchenpakets ungewollt modifizieren kann, zum anderen zu erhöhten thermischen Verlusten im Resonator führt. Die räumliche Feldverteilung einer HOM im Resonator unterscheidet sich dabei von der Feldverteilung der Beschleunigermode bzw. Grundmode. Eine HOM bewirkt in Kombination mit dem Oberflächenwiderstand entlang der Oberfläche im Hohlrauresonator thermische Verluste nach

Hierbei wird das Hochfrequenzfeld TTdurch elektrische Ströme in der Kavitätenwand erzeugt, welche Ohmsche Verluste erleiden. Diese sind eine Faltung aus den ortsabhängigen Feldern und dem an diesem Ort vorhandenen Oberflächenwiderstand R_s des Resonators. Üblicherweise wird dieser als konstant angenommen.

In dem Aufsatz 1 von H. Hayano (Review of SRF Cavities for ILC, XFEL and ERL Applications, Proceedings of IPAC’ 10, 2010, Kyoto, THXRA02, S. 3625 - 3629) sind verschiedene Ansätze für die Unterdrückung der HOMs in HF-Hohlraumresonatoren für den Einsatz in Elektronenbeschleunigern / Speicherringen vorgestellt. Hierbei sei insbesondere auf die an einem Strahlrohr montierten sogenannten Notchfilter- Antennen, in das Strahlrohr oder am Resonator direkt integrierte Hohlleiterausgänge und auf die, an der Innenseite eines Strahlrohrs montierten keramischen oder ferritischen Blöcke, als häufig verwendete Vorrichtungen zur Unterdrückung von HOMs verwiesen. In der Tabelle 1 sind einige Eigenschaften dieser drei Lösungen aufgelistet.

Tabelle 1

Die Eigenschaften der Vorrichtungen zur Unterdrückung der HOMs: Hochfrequenz - Verbindung ins Innere des Resonators, Fremdkörper im Resonator, Eingriff in das ideale Design des Resonators und die Notwendigkeit der Schweißung von Bauteilen und die daraus entstehenden Schweißnähte sind für die Qualität des Resonators abträglich, da diese die Feldverteilung des ideal angenommenen Resonators modifizieren und das Risiko eines die Hochfrequenz-Supraleitung störenden Partikeleintrags bergen. Partikeleinträge in SRF Resonatoren stellen u.a. einen der stärksten Limitierungsfaktoren im Beschleunigerbetrieb dar.

Ein weiterer Übersichtsartikel zum Stand der Technik von HOM-Dämpfung in Resonatoren für die Teilchenbeschleunigung ist auch in dem Aufsatz 2 von F. Marhauser (Next generation HOM-damping, Superconductor Science and Technolog, 30, 2017, S. 06300 -1 -38) gegeben.

Radial angeordnete Wellenleiter, die an die störenden HOM’s ankoppeln, sind für das Cavity (Hohlraumresonator) am Stanford Linear Accelerator Center, SLAC, in Stanford/USA entwickelt worden (beispielsweise beschrieben in: Proc, of the European Particle Accelerator Conference, EPAC 1996, Vol. 3, pp. 1976). Diese Anordnung besteht aus einem Resonatorhohlraum mit sphärischer radialer Kontur und drei rechteckigen Wellenleitern zur HOM-Dämpfung, die unter einem Winkel von ca. 30 Grad zur Strahlachse am Resonator angeordnet, dann aber parallel zur Achse orientiert und schließlich aus Platzgründen um 180 Grad gebogen sind. Die HOM- Energie wird in Ferritabsorbern im Innenraum der Wellenleiter absorbiert. Bedingt durch die Geometrie der Anordnung beträgt die Einbaulänge in axialer Richtung etwa 1 ,8 m.

In Proc, of the European Particle Accelerator Conference (EPAC 1996), Vol. 3, pp. 1940 ist ein Resonator beschrieben, wie er von der Berliner Elektronenspeicherring- Gesellschaft für Synchrotronstrahlung m.b.H, vorgeschlagen worden ist. Hierbei weist der Hochfrequenz-Resonator einen zylinderförmigen Resonatorhohlraum auf, auf dessen Mantelfläche drei zirkulare Wellenleiter zur Ankopplung an die HOM’s angeordnet sind, die jeweils mit einem breitbandigen Übergang auf eine Koaxialleitung verbunden sind (broadband circular waveguide to coaxial transition - CWCT). Mit dieser Anordnung können die notwendigen Abmessungen, insbesondere die Einbaulänge, im Vergleich zum Stand der Technik verringert werden. In Proc, of the European Particle Accelerator Conference (EPAC 1998), Vol. 3, pp. 2065 ist für eine solche Anordnung ein zirkularer Wellenleiter beschrieben, der als getaperter Stegwellenleiter mit einer konstanten cut-off-Frequenz und einem Impedanztransformator zur 7/8“-Koaxialleitung ausgebildet ist. Eine Weiterentwicklung ist in der DE 101 29 774 C4 angegeben.

Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es einen HOM-gedämpften supraleitenden Hohlraumresonator anzugeben, in dem es keine Hochfrequenz-Verbindung ins Innere des Resonators, keine Fremdkörper im Resonator, keinen Eingriff in das ideale Design des Resonators und keine Notwendigkeit von Schweißung von Bauteilen gibt und der dabei eine einstellbare Dämpfung aufweist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein solcher Hohlraumresonator zu erzeugen ist und die Nutzung desselben.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der Ansprüche 1 , 3 und 4. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der Gegenstand des Anspruchs 1 betrifft einen HOM-gedämpften supraleitenden Hohlraumresonator, der mindestens einen supraleitenden Hohlraumresonator, welcher an mindestens einem Ort auf der inneren Resonatoroberfläche einen erhöhten Oberflächenwiderstand aufweist, aufweist.

Im Sinne der Erfindung ist hier anzumerken, dass die Eigenschaft der Supraleitung des Resonators unterhalb der Sprungtemperatur T_c, bei der das Material des supraleitenden Resonators in den supraleitenden Zustand wechselt, gegeben ist. Oberhalb der Sprungtemperatur verliert der Resonator seine supraleitende Eigenschaft und damit auch seine Eigenschaft als Resonator an sich. Als Ort im Sinne der Erfindung ist hier ein fester, lokalisierbarer Punkt, d.h. mit einer festen Position auf der inneren Resonatoroberfläche, welcher eine endliche Ausdehnung aufweist zu verstehen.

Der Oberflächenwiderstand R_s eines Resonators wird in der Regel als ortsunabhängig beschrieben und vorausgesetzt, wie es z.B. in dem Lehrbuch von H. Padamsee et al. (RF superconductivity for accelerators, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 1998) gelehrt wird. Daraus folgend wird bei der Herstellung von Resonatoren angestrebt, den Oberflächenwiderstand überall im Resonator gelichmäßig möglichst gering zu halten, um die thermischen Verluste der Beschleunigungsmode (Grundmode) zu minimieren. In der Dissertation von R. Kleindienst (Radio Frequency Characterization of Superconductors for Particle Accelerators, Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Universität Siegen, 2017) ist dargestellt, inwieweit ein feldabhängiger Oberflächenwiderstand in Verbindung mit einer anisotropen Feldverteilung einen negativen Einfluss auf die Resonatorgüte hat.

Der Erfindung liegt nun die völlig neue Erkenntnis zugrunde, dass ein, unter Beachtung bestimmter Parameter, absichtlich, an mindestens einem Ort erhöhter Oberflächenwiderstand auf der Resonatoroberfläche geeignet ist, die thermische Dissipation von HF-Leistung an diesem Ort absichtlich durch den erhöhten Widerstand zu erhöhen und so eine Dämpfung von HOMs im Resonator zu erreichen. Ausgenutzt wird hierbei, dass jede Mode eine andere räumliche (geometrische) Verteilung der magnetischen Feldkomponente auf der Resonatoroberfläche aufweist. Unter Beachtung dieses Geometriefaktors einer Mode, der den Ort des erhöhten Oberflächenwiderstandes determiniert, und der an diesem Ort künstlich herbeigefügten erhöhten Oberflächenwiderstandes, welcher unterhalb der Sprungtemperatur des supraleitenden Materials des Resonators vorliegt, lässt sich die dissipierte Leistung der für die Teilchenbeschleunigung bestimmten Grundmode gering halten, aber eine Verlustleistung einer störenden Mode höherer Ordnung deutlich erhöhen und diese damit dämpfen.

Der erfindungsgemäß erhöhte Oberflächenwiderstand ist dabei an dem mindestens einen Ort auf der inneren Resonateroberfläche des supraleitenden Hohlraumresonators um einen Betrag zwischen 10-1000 Nanoohm erhöht. Der mindestens eine Ort ist bestimmt durch die zu dämpfenden Moden in einem supraleitenden Hohlraumresonator. Wie dem Fachmann hinlänglich bekannt, zeichnet sich jede Mode in einem supraleitenden Hohlraumresonator durch eine genau bestimmte und zu bestimmende Verteilung (Geometrie) ihrer Feldstärke im Hohlraumresonator aus. Der mindestens eine Ort ist dabei bestimmt durch die örtliche Lage erhöhter Feldstärken einer oder mehrerer zu dämpfender Moden. Zur Lokalisation eines Orts wird sich insbesondere auf die Erstreckungsrichtung z des Resonators, die auch der Richtung eines Teilchenstrahls im Resonators entspricht, bezogen.

Der mindestens eine Ort mit erhöhtem Oberflächenwiderstand ist zudem in seiner Ausdehnung beschränkt. Die Ausdehnung beträgt dabei zwischen 0,1 % bis 1 % der inneren Resonatoroberfläche.

Die Erfindung beinhaltet zudem die Erzeugung eines solchen an einem Ort erhöhten Oberflächenwiderstands in supraleitenden Hohlraumresonatoren.

Im Sinne der Erfindung bedeutet die Resonatoroberfläche immer die innere Oberfläche des Hohlraumresonators, welche direkt mit den Moden im Resonator wechselwirkt. Die Modifikation dieser inneren Oberfläche ist dabei auch von außerhalb des Resonators zu bewirken und kann auch, lokal, die Wand des Hohlraumresonators mit umfassen.

Der mindestens eine Ort des erhöhten Oberflächenwiderstand wird durch gezieltes „Einfrieren“ von magnetischem Fluss an dem mindestens einen Ort auf der inneren Resonatoroberfläche bzw. in der Wand des supraleitenden Hohlraumresonators erzielt. Der eingefrorene magnetische Fluss interagiert mit dem Hochfrequenzwechselfeld des supraleitenden Hohlraumresonators in einem Beschleuniger für elektrisch geladene Teilchen, wie z.B. in einem sogenannten LINAC (engl. Linear Accelerator) oder einem sogenannten Synchrotron (Ringbeschleuniger). Beim eingefrorenen magnetischen Fluss handelt es sich um eine begrenzte Anzahl sehr kleiner (quantisierter) normalleitender Bereiche, die gemäß ihrer Querschnittsfläche zum gesamten Oberflächenwiderstand im Hohlraumresonator beitragen. Dieser Betrag ist proportional zur Anzahl der eingefrorenen Flusslinien und somit zum Magnetfeld und beträgt 10 - 1000 Nanoohm. Der magnetische Fluss wird dabei mithilfe von geeigneten Spulen erzeugt, die an dem mindestens einen Ort an der Außenfläche des supraleitenden Hohlraumresonators angebracht sind. „Geeignete Spule“ im Sinne der Erfindung bedeutet hierbei, dass sowohl Position(en) als auch Anzahl, Geometrie, Vorhanden- oder Nichtvorhandensein eines Jochs, sowie Permeabilität desselben für jeden Resonator und hier wiederum für jede zu dämpfende Mode optimiert werden muss. Sämtliche realisierbaren Positionen der Orte erhöhten Oberflächenwiderstandes auf der inneren Resonatoroberfläche, die den Bedingungen zur Dämpfung ausgesuchter Moden genügen, sowie Orientierungen der Spule sind von der erfinderischen Idee umfasst. Auch die Verwendung multipler Spulen ist hiervon umfasst, eine Limitierung stellt hier nur die geometrische Ausdehnung der Spulen dar. Die genaue Form der Spulen kann durch numerische Simulationen optimiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von HOM-gedämpften supraleitenden Hohlraumresonatoren lässt sich auf sämtliche bekannte supraleitende Hohlraumresonatoren anwenden z.B. elliptische Kavitäten, Halbwellenresonatoren, Viertelwellenresonatoren, RFQs, Chokebars, Crab Cavities und Transverse Deflecting Cavities, um nur einige zu nennen.

Das „Einfrieren“ des Flusses wird dadurch realisiert, dass die Spulen während des Abkühlens des Resonators, genauer: während ihres Übergangs in den supraleitenden Zustand, mit einem Gleichstrom geeigneter Größe betrieben werden. Beim supraleitenden Übergang wird ein extern anliegendes Magnetfeld zwar eigentlich aus dem Supraleiter verdrängt (Meissner Effekt) - dies funktioniert in der Praxis jedoch nur unvollständig, weshalb Methoden entwickelt wurden, den Verdrängungsmechanismus zu unterstützen, z.B. durch Verkleinerung des Umgebungsmagnetfeldes mittels Magnetschilden oder durch Anlegen von Temperaturgradienten während des Abkühlens. Bei dieser Erfindung wird dagegen der umgekehrte Weg eingeschlagen: durch das gezielte Einfrieren von magnetischem Fluss wird der Oberflächenwiderstand an bestimmten Orten der inneren Resonatoroberfläche absichtlich erhöht, um die Dissipation einer elektromagnetischen Welle lokal zu erhöhen.

Das Einfrieren des Flusses wird mit mindestens einer supraleitenden oder normalleitenden Spule mit oder ohne ferritischem Joch bewirkt, die durch eine geeignete Halterung so zur äußeren Resonatoroberfläche angeordnet ist, dass dort bei Bestromung der Spule und normalleitendem Zustand des Resonators ein Magnetfeld herrscht, wobei die Stirnseite des Jochs, bzw. Stirnfläche der Spule genau auf den Ort der Resonatoroberfläche gerichtet ist, in dem der Oberflächenwiderstand des Materials der Resonatorwand lokal erhöht werden soll.

An diesem so erzeugten Ort erhöhten Oberflächenwiderstands findet erhöhte Dissipation von elektromagnetischen Feldern statt. Deshalb ist für jede beliebige elektromagnetische Mode eine höhere Wärmeabfuhr notwendig als bei der „normalen“ Situation, in der der Oberflächenwiderstand überall gleich groß ist. Dies erscheint zunächst als Nachteil, aber es gilt noch einen weiteren Effekt zu berücksichtigen: Durch den erhöhten Oberflächenwiderstand und die daraus resultierende Wechselwirkung mit dem Hochfrequenzfeld eines Teilchenstroms im Resonator, vergrößert sich die Bandbreite solcher HOMs die am Ort des eingefrorenen magnetischen Flusses einen höheren Feldanteil aufweisen. Infolgedessen werden solche Moden durch die internen Prozesse, wie z.B. Strahl-Wand-Wechselwirkung, auch weniger angeregt. Ausgenutzt wird hierbei, dass die meistens angewendete Eigenmode (Grundmode) eines Resonators, welche zur Erzeugung elektromagnetischer Stehwellen und zur Beschleunigung der Teilchenpakete genutzt wird, eine Monopolmode ist. Monopolmoden haben die Eigenschaft, dass das Maximum der für die Verluste zuständigen Wandströme im Bereich des sogenannten Äquators (siehe Fig. 1 ) liegt, wobei störende Moden höherer Ordnung, insbesondere Dipolmoden auch einen gewissen Feldanteil näher zur Irisregion des Resonators besitzen, bzw. an anderer Stelle als die angesprochene Monopolmode.

Mit dem erfindungsgemäßen Prinzip können insbesondere auch solche Moden gezielt gedämpft werden, die gerade in mehrzelligen Resonatoren lokalisiert in der Mittelzelle (mittig angeordneter Resonator) auftreten. Solche Moden wirken sich besonders störend auf die Strahlqualität aus, und lassen sich nur schwerlich mit konventionellen Methoden manipulieren.

Die Orte an denen erfindungsgemäß ein erhöhter Oberflächenwiderstand zur Dämpfung ausgesuchter Moden in den supraleitenden Hohlraumresonatoren zu erzeugen ist, ist von dem Fachmann Routine mäßig berechenbar, z.B. durch Nutzung der Simulationssoftware Superfish (K. Halbach K. und R.F. Holsinger, Superfish-a computer program for evaluation of RF cavities with cylindrical symmetry, Particle Accelerators, Vol. 7, 1976, S.. 213-222) oder SLANS/CLANS (D.G. Myakishev et al., SUPERLANS/SUPERSAM Codes, User's Guide, Novosibirsk, Russia, 1992, ebenso berichtet in “Report SRF/D 940314-02, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY, 1994). Die zugrunde liegenden physikalischen Zusammenhänge und mathematischen Ansätze zur Beschreibung sind z.B. dem Artikel von Pippard (Pippard, A. B. (1955). "Trapped flux in superconductors." Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series A. Mathematical and Physical sciences 941 (248): 97-129.) zu entnehmen.

Eine weitere Form der Erzeugung des mindestens einen Ort mit erhöhtem Oberflächenwiderstand der inneren Resonatoroberfläche ist durch ein örtlich beschränktes Temperaturprofil bzw. durch eine örtlich beschränkte Erhöhung der Temperatur und ein dadurch verursachtes örtlich beschränktes Temperaturprofil in der inneren Oberfläche des Hohlraumresonators theoretisch gegeben. Dazu könnten die, wie oben beschrieben vordefinierten Orte eines Hohlraumresonators 4 K temperiertem Helium anstelle von 1.8 K temperiertem Helium ausgesetzt werden. Dies würde theoretisch zum einen zu einer verringerten Güte und damit einer Dämpfung von HOMs an diesen Orten führen und zum anderen dazu, dass die entkoppelte Leistung mit erhöhter Carnot-Effizienz abgeführt werden kann.

Eine weitere Form der Erzeugung des mindestens einen Ort mit erhöhtem Oberflächenwiderstand der inneren Resonatoroberfläche ist durch die Dämpfung von HOMs mittels gezielter örtlich beschränkter „verminderter Güte“ an mindestens einem Ort der inneren Resonatoroberfläche, welche während der Herstellung einbringbar ist, theoretisch zu ermöglichen. Die verminderte Güte ist theoretisch durch Verschlechterungen der Oberflächenqualität zu bewirken, wie diese gegeben ist durch Einbringung von Fremdsubstanz auf die Oberfläche. Die Fremdsubstanz bedeutet eine Abweichung der chemischen Zusammensetzung des Materials des Hohlraumresonators, insbesondere eine Einbringung von dem Material fremden Atomen.

Der erfindungsgemäße HOM gedämpfte supraleitende Hohlraumresonator entsprechend dem Anspruch 1 ist in Anlagen zur Teilchenbeschleunigung, insbesondere in Elektronenbeschleunigern wie Synchrotronen und LINACs zu nutzen.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen HOM-gedämpften supraleitenden Hohlraumresonators und dem dazugehörigen Verfahren zu dessen Herstellung sind die folgenden. Es gibt keine Verbindung ins Innere des Resonators sowie keine Fremdkörper im Resonator. Weiterhin ist kein Eingriff in das ideale Design des Resonators Notwendig, da die erfinderische Modifizierung des Oberflächenwiderstandes in den Hohlraumresonator als solches eingebracht wird. Zudem ist die Modifizierung mittels eingefrorenem Fluss reversibel und an verschiedenen ausgewählten Orten auf der Oberfläche in ausgewählter Stärke zu erbringen. Es besteht keine Notwendigkeit von Schweißung von Bauteilen. Die avisierte Dämpfung ist über den bzw. die Orte der Modifizierung des Oberflächenwiderstandes und deren Art und Stärke einstellbar.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird nachfolgend in sechs Figuren und zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig.1 Skizzierung der Moden in einem supraleitenden HF-Hochfrequenz- Hohlraumresonator mit dem Verlauf eines erfindungsgemäß manipulierten Oberflächenwiderstandes;

Fig. 2 Skizze eines supraleitenden HF-Hochfrequenz-Hohlraumresonator mit einer zum erfindungsgemäßen Einfrieren eines, an einem Ort begrenzten magnetischen Flusses, angebrachten Spule.

Fig. 3 Absolute magnetische Feldstärke (A/m) der TM010 (a) und TM020 (b) Moden auf der inneren Resonatoroberfläche eines supraleitenden Hohlraumresonators normiert auf 1 Joule gespeicherte Energie aufgetragen gegenüber der longitudinalen (axialen) Koordinate.

Fig. 4 Anteilige Verlustleistung Pdiss auf einer Resonatoroberfläche für verschiedene Monopolmoden aufgetragen gegenüber der longitudinalen Pfadlänge der Resonatoroberfläche bei Annahme der Zylindersymmetrie eines supraleitenden Hohlraumresonators.

Fig. 5 Diagramm zur Darstellung der Lokalisation des erfindungsgemäßen mindestens einem Ort mit erhöhten Oberflächenwiderstand (hervorgehoben) bezogen auf die Erstreckung des Resonators, zusammen mit einem Verlauf der inneren Resonatoroberfläche (— ) und der Resonatoroberflächen Pfadlänge ( )

Fig. 6 Diagramm zur Darstellung der reduzierten Güte durch Erhöhung des integrierten Oberflächenwiderstandes, hervorgerufen durch ein externes magnetisches Feld in Irisumgebung eines Hohlraumresonators (TESLA Struktur) für ausgewählte Monopolmoden aufgetragen gegenüber ihrer Frequenz.

In der Fig. 1 ist eine Skizze (nicht Maßstab getreu) des Verlaufs entlang der Erstreckungsrichtung z ( - ) des Resonators, einer Grundmode ( — ) und einer, zur

Veranschaulichung ihrer Geometrie, ungedämpften Dipolmode (— — -) neben dem Profil des Hohlraumresonators (— ) und dem Verlauf des inneren Oberflächenwiderstandes Rs (•••) des Hohlraumresonators, welcher erfindungsgemäß örtlich beschränkt erhöht ist, im supraleitenden Zustand des Resonators (bei einer Temperatur T<T_C) aufgezeigt. Zusätzlich ist im Schnitt die Äquatorialebene Eq (- — — ) des Hohlraumresonators mit angezeigt und der Ort des erhöhten Oberflächenwiderstandes 1. Die örtliche Beeinflussung des Widerstandes an ausgesuchten vorbestimmten Stellen und deren Einwirkung auf HOM, in diesem Beispiel eine Dipolmode, an deren Orten hoher Feldstärken im Resonator ist ersichtlich. Der örtlich beschränkt erhöhte Oberflächenwiderstand 1 ist in diesem Beispiel auf einer der beiden Seiten an der Iris des Hohlraumresonators lokalisiert und durch ein Quadrat veranschaulicht.

Ausführungsbeispiel 1

In dem Ausführungsbeispiel ist für einen supraleitenden Hohlraumresonator 2 aus NbsSn, wie er aus der Fig. 2 ersichtlich ist, und derart in Elektronenbeschleunigern zum Einsatz kommt, der örtlich beschränkte Oberflächenwiderstand 1 (hier nicht gesondert gezeigt), durch das Anbringen einer Spule 3 an einer Iris des Resonators 2 zu erhöhen, in dem die Spule 3 während des Abkühlens des Resonators 2 in Betrieb ist und dies bis unter die Sprungtemperatur beibehalten wird, so dass in dem Resonator 2 an dem Ort der Spule 3 ein magnetischer Fluss eingefroren ist. Das magnetische Feld der Spule ist variabel einstellbar bis 10 mT, das Joch der Spule 3 hat einen Durchmesser von 5 mm. Die Spule 3 ist lokalisiert an einem Ort an dem die nächste Dipolmode einen erhöhten Feldanteil aufweist. Der modifizierte Oberflächenwiderstand entspricht dann dem in der Fig. 1 gezeigten und ist dort zu 50% um 500 Nanoohm erhöht. Das magnetische Hochfrequenz-Feld (B) 4 ist mit eingezeichnet. Ausführungsbeispiel 2

Am Beispiel einer Mittelzelle (Hohlraumresonator innerhalb einer Reihe) eines sogenannten TESLA Resonators, wie er in dem Aufsatz 3 von R. Wanzenberg (Monopole, Dipole and Quadrupole Passbands of the TESLA 9-cell Cavity. TESLA- Report. DESY, DESY , 2001 ) beschrieben ist, und wie er am Europäischen Röntgenlaser (XFEL) in Hamburg genutzt wird, wurde mittels numerischer Feldberechnung unter Ausnutzung der Zylindersymmetrie und der Symmetrieachse senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Elektronen im Resonator ein zweidimensionales Fallbeispiel mittels der Programme Superfish (K. Halbach K. und R.F. Holsinger, Superfish-a computer program for evaluation of RF cavities with cylindrical symmetry, Particle Accelerators, Vol. 7, 1976, S.. 213-222) und SLANS/CLANS (D.G. Myakishev et al., SUPERLANS/SUPERSAM Codes, User's Guide, Novosibirsk, Russia, 1992, ebenso berichtet in “Report SRF/D 940314-02, Cornell Laboratory of Nuclear Studies, Ithaca, NY, 1994) berechnet. Hier wurde als zu optimierende Randbedingung gewählt, die Grundmode TM010 bei 1.3 GHz möglichst wenig zu stören, während sich die Dämpfung durch den örtlich beschränkt eingefrorenen magnetischen Fluss erhöht für die Monopolmoden höherer Ordnung. Ähnlich lässt sich das dann auch für Moden mit höherer azimutaler Ordnung zeigen, wie etwa Dipol- oder Quadrupolmoden.

Die Fig. 3 zeigt die Oberflächenfelder für die TM010 (3 a.) und TM020 (3 b.) Monopolmoden. Bei der Mode höherer Ordnung (TM020) ergeben sich zwei Bereiche mit hoher Feldstärke, während die TM010 Mode das maximale Feld eher im oberen Bereich des Resonators lokalisiert hat (ersichtlich anhand der Intensität der Schattierung der Ringe in der Kurve, bzw. des Durchmessers dieser Ringe). Die Indizes der Moden stehen jeweils für die azimutale (erste Stelle), radiale (zweite Stelle) und longitudinale (dritte Stelle) Anzahl der Vorzeichenänderung der Feldstärke im Zylinderkoordinatensystem. TM steht hier für transversal magnetische Felder des Resonators.

An diesem Beispiel kann man ersehen, dass eine Manipulation des Oberflächenwiderstands näher zur sogenannten Iris des Resonators (links unten in der Abbildung bei etwa Radius 3.5 cm und long. Koordinate < 1 .5 cm) durch eingefrorenen magnetischen Fluss im Übergang zur Supraleitung einen größeren Effekt auf die Mode höherer Ordnung haben kann.

Wie in Fig. 4 ersichtlich haben die hier berechneten höheren Monopolmoden (TMon, TM020, TM021, TM031 und TM030) bereits etwa 50% ihrer gesamten Verlustleistung in der Oberfläche bei Zentimeter 7 eines Pfades entlang der Erstreckungsrichtung (longitudinale Koordinate) des zylindersymmetrisch angeordneten Resonators erreicht, wobei die Grundmode (TM010) hier erst etwa 30% erreicht hat. Somit kann man zum Beispiel durch einen kleinen weichmagnetischen Ferrit und Spule magnetischen Fluss innerhalb des markierten Bereichs der Fig. 5 einfrieren und damit den Oberflächenwiderstand lokal modifizieren.

Das Ergebnis ist in Fig. 6 zusammengefasst für alle in diesem Beispiel berechneten Monopolmoden (TM010, TMon, TM020, TM021, TM031 und TM030). In dem Diagramm ist die, durch Erhöhung des integrierten Oberflächenwiderstandes (welcher aus der Erhöhung an dem mindestens einen Ort resultiert), hervorgerufen durch ein externes, örtlich begrenztes magnetisches Feld an einem Ort in Irisumgebung eines Hohlraumresonators (TESLA Struktur) reduzierte Güte (Q), dargestellt durch die Rauten, für ausgewählte Monopolmoden aufgetragen gegenüber ihrer Frequenz, in Gegenüberstellung zu der Güte in unbeeinträchtigtem Zustand, dargestellt durch die Quadrate. Hierbei wurde für die TM010 Mode eine zusätzliche Dämpfung um 25 % erreicht, aber die zu dämpfenden Moden höherer Ordnung werden zwischen 50-86% gedämpft.

In vorteilhafter Weise kann erfindungsgemäß ohne Eingriff in den Resonator selbst, in Abhängigkeit von der Geometrie der unerwünschten Moden im Resonator ein externes Magnetfeld eine örtlich beschränkt eingebrachte Erhöhung des Oberflächenwiderstandes bewirken und dies zielgerichtet, einstellbar und reversibel zur Dämpfung von HOM angewendet werden.

Claims

Patentansprüche

1. HOM-gedämpfter supraleitender Hohlraumresonator, mindestens aufweisend einen supraleitenden Hohlraumresonator mit mindestens einem Ort auf der inneren Resonatoroberfläche welcher einen erhöhten Oberflächenwiderstand aufweist, und wobei der mindestens eine Ort erhöhten Oberflächenwiderstandes durch eine supraleitende oder normalleitende Spule mit oder ohne ferritischem Joch bewirkt ist, die an dem mindestens einen Ort an einer Außenfläche des Hohlraumresonators angeordnet ist und wobei der mindestens eine Ort durch eine örtliche Lage erhöhter Feldstärken einer oder mehrerer zu dämpfender Moden bestimmt ist.

2. HOM-gedämpfter supraleitender Hohlraumresonator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenwiderstand an dem mindestens einem Ort eine Erhöhung um 10 Nanoohm bis 1 Milliohm aufweist.

3. Verfahren zur Herstellung HOM-gedämpfter supraleitender Hohlraumresonatoren, mindestens aufweisend die Schritte:

• Bereitstellen eines supraleitenden Hohlraumresonators;

• Erzeugen von mindestens einem Ort mit erhöhtem Oberflächenwiderstand auf der inneren Oberfläche des Hohlraumresonators unterhalb der Sprungtemperatur des Materials des Resonators durch Einfrieren eines magnetischen Flusses an dem mindestens einen Ort bei Abkühlung des Hohlraumresonators auf Temperaturen unterhalb der Sprungtemperatur, durch eine supraleitende oder normalleitende Spule mit oder ohne ferritischem Joch, die an dem mindestens einen Ort an einer Außenfläche des Hohlraumresonators angebracht ist und wobei der mindestens eine Ort durch eine örtliche Lage erhöhter Feldstärken einer oder mehrerer zu dämpfender Moden bestimmt ist.

4. Nutzung eines HOM-gedämpften supraleitenden Hohlraumresonators nach einem der Ansprüche 1 oder 2 zur Dämpfung von HOMs in einer Anlage zur Teilchenbeschleunigung.