Supraleitende Hohlraumtechnologie | beschleunigerphysik.de

In modernen Wechselspannungs-Beschleunigern erfolgt die Energieübertragung auf die zu beschleunigenden Teilchen innerhalb metallener Hohlräume …

Dieses Feld schwingt in den Resonatoren, wobei es an den Oberflächen Ströme erzeugt.
Um Energieverluste durch diese Ströme klein zuhalten ist es vorteilhaft, die Oberfläache der Kavitäten mit supraleitenden Materialen zu verkleiden.

Dies gilt speziell für kontinuierlichen Betrieb, hohe Felder oder für hohe Energien, also wenn viele Kavitäten notwendig sind.

Dadurch ist diese Technologie essentiell für zukünftige Beschleunigeranlagen mit anspruchsvollen Anforderungen.

Aufgrund der Teilnahme an zahlreichen Linear-Beschleunigerprojekten ist Deutschland ein sehr starker Standort in der Entwicklung supraleitender Hochfrequenztechnologie.

Die Forschung ist diesbezüglich sehr aktiv und erfolgreich und zwar nicht nur innerhalb von Großprojekten sondern auch an Universitäten.

# Anwendbarkeit

Das übergeordnete Ziel der Forschung richtet sich auf die Erhöhung der Anwendbarkeit supraleitender Kavitäten.Momentan sind sehr niedrige Temperaturen notwendig, um Supraleitung herzustellen, was einen aufwändige Kühlungsinfrastruktur erfordert. Auch die Herstellung dieser Kavitäten ist sehr aufwändig und kompliziert, insbesondere da sie oft für spezielle Anwendungen optimiert und daher Unikate sind.

Ein Forschungsschwerpunkt widmet sich daher der Beschichtung mit neuen Supraleitermaterialien. Damit kann nicht nur die Feldstärke und damit Beschleunigungskraft erhöht werden, speziell Hochtemperatursupraleiter versprechen eine Vereinfachung der Kühl-Infrastruktur, damit eine höhere Effizienz und bessere Anwendbarkeit für kleinere Labore und Unternehmen.

# Serienfertigung

Ein weiterer Schwerpunkt ist die qualitativ hochwertige Serienfertigung. Eine Vereinfachung der Fertigungsverfahren ermöglicht eine bessere Produktion und eine Verringerung der Ausschussraten speziell bei
hohen Qualitätsanforderungen für Präzisionsmaschinen für die Teilchenphysik.
Dies ermöglicht eine bessere Kooperation mit Industriepartnern wenn es um hohe Stückzahlen bei Großprojekten geht.

Zur Herstellung der Beschichtungen und Oberflächen der Kavitäten sind komplizierte Verfahren notwendig, die bei hohen Qualitätsanforderungen für Päzisionsmaschinen wie in der Teilchenphysik zu sehr hohen Ausschussraten führen.

# Alternative Materialien

Bulk Niob cavities: state of the art (45-50 mv/m) 20-30 in Serie (gepulst), 15-16 in cw-Betrieb XFEL, sehr gute Tesla Kavitäten, verbesserte Güte durch Stickstoffdoping (Ergebnisse reproduzierbar, aber noch widersprüchliche Forschungsergebnisse, Effekte müssen erst noch richtig verstanden werden)

Alternative Präparationsmethoden, qualitativ hochwertige Serienfertigung → Hohe Aus- schussrate im Falle der Anforderung von ILC

Alternative materialen, Nb3Sn, etc. Höhere Felder brauchen Supraleiter mit höherer Sprungtemperatur und kritischem Feld Nb3Sn würde versprechen Felder bis 100 MV/m zu erreichen (momentan bei 10 MV/m) Herstellung schwer Sputtering vs. Vapor, Verfah- ren müssen weiterentwickelt werden

Langzeitbetrieb Erfahrung, Wartung, warum werden die Kavitäten schlechter? Dres- den: verfügbare Feldstärke/Güte lässt nach, cavity dem strahl/Unfällen ausgesetzt De- gradationsmechanismen, wie kann man die Betriebserfahrung nutzen um neue Be- schleuniger zu bauen → JLAB an cebaf → regelmäßige Wartung und Austausch not- wendig → übergeordnetes Ziel: Erhöhung der Anwendbarkeit

# Anforderungen für zukünftige Beschleuniger

FCC: Niob sputtering auf Kupfer bzw. Nb3Sn wenn positive Weiterentwicklung ILC: gu- te Zusammenarbeit mit Industrie notwendig, da 16000 cavities gebraucht werden ERL: riesige cw Strahlleistung, hohe HOM-Lasten, wie läuft deren Dämpfung, wie kriegt man hohe Leistungen aus den kalten Bereichen raus?
Höhere Temperaturen bedeuten weniger Aufwand für Kryotechnik, die Technologie ist dadurch besser zu verbreiten, effizienter und preiswerter
16 Beschleuniger 2030

iob auf Kupfer wäre stabiler und besser zu kühlen

Srf für hadron linacs: CH Kavitäten, heliac projekt, (noch nicht gefördert) Treiber für super heavy production, Schwerionen, Suche nach super schweren Elementen 1) Kom- plexe Multizellenstruktur auf niedrigen Frequenzen, erste Prototypen erfolgreich getestet 2) Gun Cavities → Daten sammeln und Simulationsabgleich momentan schwer, weil nur Firmen cavities in Deutschland produzieren, lässt sich eine Datenbank einrichten? → Labor/Institut, das in selber cavities bauen kann, weil die Firmen die Daten nicht rausgeben

Koppler Hohe Leistung notwendig, LHC-Koppler soll weiterentwickelt werden, Kontroll- systeme weiterentwickeln, weniger reflektierte Leistung, niedrigere Vorlaufleistung

Schwieriger: Kavitäten für niedrigere Energie/schwere Teilchen (im nicht-rel. Bereich) → andere Kavität für jeden Bereich im Beschleuniger (längere Röhren) Schwer produzier- bar für Industrie da meist Unikate

# Starker Standort

Deutschland ist ein sehr, sehr starker SRF Standort. Es gibt allerdings nur eine Firma aber kein einziges Institut, das selber Cavities von A bis Z bauen kann. Gerade für spezielle Anwendungen wäre es wichtig, die Erfahrungen in der Produk- tion zu sammeln und zugänglich zu machen. Hierfür wird empfohlen, einen Cavity- Produktionsstandort im wissenschaftlichen Bereich im schaffen.
Um den Standort Deutschland im Bereich SRF zu stärken, sollte die Anwendbar- keit von SRF erleichtert werden. Wir empfehlen auf einen eigenständiges SRF- Modul hinzuarbeiten, das eigenständig ohne große Kryoanlage auskommt. Wir denken hierbei an eine Art SRF-Kit, das mit eigenem Cryocooler ausgestattet ist und modular im Baukastenprinzip skalierbar ist. Ein solches Modul wäre bestimmt stark gefragt und könnte auch gut vermarktet werden.