Teure magnetische Störenfriede

Schematische Darstellung einer Kavität

Oben: Schematische Darstellung einer Kavität, in der elektromagnetische Schwingungen angeregt und verstärkt werden. Die darin auftretenden Thermoströme (unten) lösen schwache Magnetfelder aus, die Energieverluste verursachen.

Supraleitende Materialien verhindern teure Wärmeverluste in Teilchenbeschleunigern. Doch ein kleiner Schwund an Energie bleibt. Forscher am HZB konnten nun klären, woran das liegt.

In Teilchenbeschleunigern werden elektrisch geladene Partikel auf hohe Geschwindigkeit gebracht, um für die Forschung wertvolle Strahlung zu erzeugen. Das geschieht mithilfe von „Kavitäten“ – geschlossenen Kammern, in denen elektromagnetische Schwingungen angeregt werden und sich durch Resonanz verstärken lassen. Bei herkömmlichen Anlagen bestehen sie aus Kupfer, das eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt. Der Nachteil: Das Metall erhitzt sich beim Betrieb des Beschleunigers stark und muss aufwändig gekühlt werden. Resonatoren für modernere Anlagen werden daher aus supraleitendem Material gefertigt – meist aus Niob, das unterhalb von etwa neun Kelvin (minus 264°C) seinen elektrischen Widerstand für Gleichstrom vollständig verliert. Fließt Wechselstrom durch das Material, bleibt auch unterhalb der sogenannten Sprungtemperatur ein schwacher Restwiderstand erhalten. Er ist beispielsweise bei einer Frequenz von 1,5 Gigahertz nur ein Zehnmillionstel so groß wie der Widerstand in Kupfer und schwindet weiter, wenn die Temperatur gegen den absoluten Nullpunkt sinkt. „Daneben lässt sich ein weiterer Restwiderstand feststellen, dessen Ursache bislang nicht vollständig verstanden ist“, sagt Prof. Dr. Jens Knobloch, Leiter des HZB-Instituts SRF – Wissenschaft und Technologie.

Durch den deutlich verringerten Widerstand verschwinden auch die thermischen Verluste – zumindest in der Theorie. Tatsächlich aber verzehrt auch in einer supraleitenden Kavität der Restwiderstand ständig Energie. Das hat kostspielige Folgen: „In einer großen Beschleunigeranlage mit vielen supraleitenden Hochfrequenz-Kavitäten betragen die Kosten allein für die Flüssigheliumanlage zur Kavitätenkühlung mehrere Dutzend Millionen Euro. Pro Jahr fallen für den Betrieb zusätzlich mehre Millionen Euro an“, erläutert Knobloch. Ein wichtiges Ziel der Anlagenbetreiber ist es daher, die Verluste durch eine möglichst hohe Güte (High-Q) der Resonatoren weiter zu verringern. Jens Knobloch und seinem Team am HZB ist ein entscheidender Schritt dorthin gelungen: Die Forscher konnten eine Ursache des Restwiderstands in supraleitenden Kavitäten klären. „Da die Kavität aus Niob in einen Tank aus Titan eingeschweißt ist, bilden sich dort, wo beide Metalle aneinandergrenzen, beim Abkühlen Thermoelemente aus“, erklärt Julia-Marie Köszegi, die diesen Effekt zusammen mit ihrem Teamkollegen Dr. Oliver Kugeler untersucht hat: „Die unterschiedlichen Temperaturen der beiden Kavitätenenden beim Abkühlen führen dazu, dass ein Thermostrom in der Kavität fließt“, sagt Kugeler. „Dadurch entstehen schwache Magnetfelder, die in dem supraleitenden Material ’eingefroren‘ werden“ – das ist die Ursache der Energieverluste.“

Widerspruch zu physikalischen Gesetzen aufgelöst

Das Ziel der Forscher war es, diese Modellvorstellung experimentell und mit Computersimulationen nachzuweisen. Dazu kühlten und erwärmten sie eine Niob-Resonanzkammer mehrmals im Wechsel und maßen präzise deren Verluste. „Dabei konnten wir die Korrelation zwischen Temperaturdifferenz und Verlusten eindeutig nachweisen“, sagt Köszegi. Auch einen scheinbaren Widerspruch zu physikalischen Gesetzen konnten die Wissenschaftler auflösen: In einer zylinderförmigen Kavität darf aufgrund der Symmetrie gar kein magnetisches Feld auf der Innenwand der Kavität entstehen. „Doch weil die Abkühlung nicht gleichmäßig verläuft, sondern von unten nach oben voranschreitet, wird die Symmetrie zerstört“, erklärt Knobloch. Die Forscher ermittelten auch die thermoelektrischen Eigenschaften von Niob und Titan. Diese Daten sowie Messungen des Temperaturgradienten entlang der Kavität flossen in Computersimulationen des Abkühlvorgangs ein. Ihre Ergebnisse bestätigten die direkt gemessenen Magnetfelder in der Kavität. „Damit haben wir belegt, dass unsere Theorie plausibel ist“, resümiert Knobloch. „Das macht deutlich, welche große Rolle magnetische Effekte in einer supraleitenden Kavität spielen.“ Deren Einfluss habe man bisher unterschätzt. Für den Bau von Teilchenbeschleunigern haben die Resultate enorme Bedeutung: „Sie bieten die Chance, viel Geld zu sparen“, sagt Knobloch. „Denn wenn man weiß, was in dem Material vor sich geht, kann man gezielt Energieverluste verringern.“ Deshalb haben die Ergebnisse viel Aufsehen erregt und andere Gruppen zu weiterer Forschung animiert.


Phys. Rev. STAB 18 (DOI: 10.1103/PhysRevSTAB.18.042001): High-Q operation of superconducting rf cavities: Potential impact of thermocurrents on the rf surface resistance; J.-M. Vogt, O. Kugeler and J. Knobloch