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Synchrotronquellen effizienter machen

Zwei Grad wärmer, Millionen Euro günstiger?

| Autor / Redakteur: Dr. Antonia Rötger* / Christian Lüttmann

Die Fotomontage zeigt eine Probe aus reinem Niob (l.) und eine Probe, die mit Nb3Sn beschichtet wurde (r.)
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Die Fotomontage zeigt eine Probe aus reinem Niob (l.) und eine Probe, die mit Nb3Sn beschichtet wurde (r.) (Bild: HZB)

In modernen Synchrotronquellen sorgen supraleitende Hochfrequenzkavitäten für noch mehr Anwendungsmöglichkeiten. Sie statten die entsendeten Elektronenpakete mit extrem hoher Energie aus. Und das ist teuer, auch weil die Kavitäten extrem gekühlt sein müssen. Forscher des Helmholtz Zentrum Berlin haben nun untersucht, wie eine Beschichtung die Kavitäten-Effektivität verbessern und so viel Geld sparen kann.

Berlin – Zurzeit ist Niob das Material der Wahl, um supraleitende Hochfrequenzkavitäten zu bauen. Sie werden für Synchrotronstrahlungsquellen wie in den Projekten Berlin Pro und Bessy-VSR eingesetzt, aber auch bei Freien Elektronenlasern wie dem XFEL oder dem LCLS-II.

Doch eine Beschichtung mit Niobzinn (Nb3Sn) könnte zu deutlichen Verbesserungen der Beschleunigersysteme führen. Denn supraleitende Hochfrequenzkavitäten aus Niob müssen bei 2 °C über dem absoluten Nullpunkt (also -271 °C oder 2 K) betrieben werden, was aufwändige Kryotechnik erfordert.

Kleiner Temperaturunterschied mit großer Wirkung

Durch eine Beschichtung mit Nb3Sn könnten Kavitäten dagegen auch bei vier statt zwei Kelvin betrieben werden und zudem möglicherweise höhere elektromagnetische Felder aushalten, ohne dass die Supraleitung zusammenbricht. Was nach einem kleinen Unterschied klingt, könnte in Zukunft bei großen Beschleunigern Millionen Euro in Bau- und Stromkosten sparen, da der Aufwand für die Kühlung deutlich geringer ist.

Ein Team um Prof. Dr. Jens Knobloch, der das SRF-Institut am Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) leitet, hat nun in Zusammenarbeit mit Kollegen aus den USA, Kanada und der Schweiz Tests mit supraleitenden Proben durchgeführt, die an der amerikanischen Cornell University mit Nb3Sn beschichtet wurden. Die Experimente fanden am Paul-Scherrer-Institut in der Schweiz, am kanadischen Teilchenbeschleuniger Triumf und am HZB statt.

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Beschichtete Probe hält mehr aus

Die Forscher haben bei ihren Tests die kritischen Magnetfeldstärken von supraleitenden Nb3Sn-Proben in statischen und Hochfrequenz-Feldern gemessen. 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 noch weiteres Verbesserungspotenzial bietet, um den theoretischen Werten näher zu kommen.

Das Video des HZB veranschaulicht, wie eine Synchrotronstrahlungsquelle mit Hochfrequenzkavitäten funktioniert:

Originalpublikation: S. Keckert, T. Junginger, T. Buck, D. Hall, P. Kolb, O. Kugeler, R. Laxdal, M. Liepe, S. Posen , T. Prokscha, Z. Salman, A. Suter and J. Knobloch: Critical fields of Nb3Sn prepared for superconducting cavities, Superconductor Science and Technology, Volume 32, Number 7; DOI: 10.1088/1361-6668/ab119e

* Dr. A. Rötger, Helmholtz-Zentrum Berlin, 14109 Berlin

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