Beschleunigerphysik: Alternatives Material für supraleitende Hochfrequenzkavitäten getestet
Die Fotomontage zeigt eine Probe aus reinem Niob (links) und eine Probe, die mit Nb3Sn beschichtet wurde (rechts). Copyright: HZB
Supraleitende Hochfrequenzkavitäten können Elektronenpakete in modernen Synchrotronquellen und Freien Elektronenlasern mit extrem hoher Energie ausstatten. Zurzeit bestehen sie aus reinem Niob. Eine internationale Kooperation hat nun untersucht, welche Vorteile eine Beschichtung mit Niob-Zinn im Vergleich zu reinem Niob bietet. Zurzeit ist Niob das Material der Wahl, um supraleitende Hochfrequenzkavitäten zu bauen. So werden sie für Projekte wie bERLinPro und BESSY-VSR eingesetzt, aber auch bei Freien Elektronenlasern wie dem XFEL oder dem LCLS-II.
Beschichtung verspricht Einsparungen
Doch eine Beschichtung mit Niobzinn (Nb3Sn)
könnte zu deutlichen Verbesserungen führen. Denn supraleitende
Hochfrequenzkavitäten aus Niob müssen bei 2 Kelvin (-271 Grad Celsius)
betrieben werden, was aufwändige Kryotechnik erfordert. Durch eine
Beschichtung mit Nb3Sn könnten Kavitäten dagegen auch bei 4
statt 2 Kelvin betrieben werden und zudem möglicherweise höhere
elektromagnetische Felder aushalten, ohne dass die Supraleitung
zusammenbricht. In Zukunft könnte das bei großen Beschleunigern
Millionen Euro in Bau- und Stromkosten sparen, da der Aufwand für die
Kühlung deutlich geringer ist.
Experimente in USA, Kanada, Schweiz und HZB
Ein
Team um Prof. Dr. Jens Knobloch, der das SRF-Institut am HZB leitet,
hat nun in Zusammenarbeit mit Kollegen aus den USA, Kanada und der
Schweiz Tests mit supraleitenden Proben durchgeführt, die an der Cornell
University, USA, mit Nb3Sn beschichtet wurden. Die Experimente fanden am Paul-Scherrer-Institut, Schweiz, am TRIUMF, Kanada, und am HZB statt.
Beschichtete Probe hält mehr aus
„Wir haben die kritischen Magnetfeldstärken von supraleitenden Nb3Sn-Proben
in statischen und Hochfrequenz-Feldern gemessen“, sagt Sebastian
Keckert, Erstautor der Studie, der im Team von Knobloch promoviert.
Durch die Kombination verschiedener Messverfahren konnten sie die
theoretische Vorhersage bestätigen, dass das kritische Magnetfeld von Nb3Sn
in Hochfrequenz-Feldern höher ist als das für statische Magnetfelder.
Allerdings sollte das beschichtete Material im Hochfrequenz-Feld noch
ein sehr viel höheres kritisches Magnetfeld aufweisen.
Somit haben die Tests auch gezeigt, dass der aktuell verwendete Beschichtungsprozess zur Herstellung von Nb3Sn weiterentwickelt werden könnte, um den theoretischen Werten noch näher zu kommen.