Grewe, Ruben Bernhard Frederic (2020)
Untersuchung der supraleitenden Eigenschaften von Niobnitrid anhand Messungen an einzelligen 3 GHz-Resonatoren.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.25534/tuprints-00012803
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Diese Dissertation befasst sich mit der Erzeugung verschiedener Niobnitridphasen. Einige dieser Phasen sind aufgrund von höheren Sprungtemperaturen und kritischen Magnetfeldern als bei reinem Niob für die Anwendung für supraleitende Beschleunigungsstrukturen interessant. Die Erzeugung dieser Niobnitride erfordert hohe Temperaturen > 1300 °C, die vom Ultrahochvakuumofen (UHV Ofen) am S-DALINAC erreicht werden können. Um einen Prozess für die Nitrierung von Niob-Kavitäten zu optimieren, wurden zunächst Niobproben im UHV Ofen verschiedenen Prozessen mit unterschiedlichen Stickstoffdrücken, Temperaturen und Zeitspannen unterzogen. Für den so optimierten Prozess ergab sich eine Temperatur von ca. 1550 °C, einem Stickstoffdruck von 100 mbar und einer Dauer von 60 min um die γ-Phase des Niobnitrides zu erzeugen. Diese Phase weist mit Tc = 12,2 K eine gegenüber Tc = 9,25 K von reinem Niob höhere Sprungtemperatur auf. Dieser optimierte Prozess wurde auf eine einzellige Kavität übertragen, die eine Resonanzfrequenz von ca. 3 GHz aufweist. Die Kavität weist nach der Behandlung keine Sprungtemperatur bis 8 K auf. Dies ist ein Hinweis auf die β-Nb2N-Phase, die mit einer Sprungtemperatur von 1,2 K für supraleitende Kavitäten uninteressant ist. Eine Übertragung des Prozesses von einfachen Proben auf die komplexere Geometrie von elliptischen einzelligen Kavitäten erfordert weitere Optimierungsschritte des Nitrierungsprozesses anhand von Kavitäten. Wichtige Größen zur Charakterisierung der Performanz supraleitender Kavitäten sind die Güte Q0 und die maximal erreichbaren Feldstärken, z.B. die maximal in die Oberfläche eindringende magnetische Flussdichte B peak . Um diese charakteristischen Größen zu bestimmen, war die Neuentwicklung eines Einsatzes für den vertikalen Badkryostaten am S-DALINAC erforderlich, der Messungen an Kavitäten bis unter 2 K ermöglicht. Die zentrale Neuentwicklung ist eine von außen bei kaltem Kryostaten einstellbare variable Einkopplung, die die Anpassung der externen Güte Qex der Einkoppelantenne an die Güte Q0 der Kavität ermöglicht, um die Güte Q0 und die elektromagnetischen Feldstärken mit niedrigen Unsicherheiten messen zu können. Die variable Einkopplung ermöglicht Messungen an den angeschafften einzelligen Kavitäten, den fünf- und 20-zelligen Kavitäten des S-DALINAC und an der neuen sechszelligen Einfangstruktur des S-DALINAC. Mit der variablen Einkopplung wurden erfolgreich die charakteristischen Größen Güte Q0 = (3,58 ± 0,42)e9 und die maximale Oberflächenflussdichte Bpeak = (10,2 ± 0,5) mT einer einzelligen Kavität bei einer Temperatur von T = (1,94 ± 0,08) K gemessen.

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