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Zusammenfassung (Deutsch)

Eingefrorener magnetischer Fluss ist eine bekannte Ursache der hochfrequenz

(HF) Verluste in supraleitenden HF Resonatoren für Teilchenbeschleuniger.

Insbesondere für neue Beschleuniger, die mit hohen Feldern

im Dauerstrichbetrieb arbeiten, können diese Verluste sowohl von einem

betrieblichen als auch einem wirtschaftlichem Gesichtspunkt her unakzeptabel

hoch werden.

Wie jüngste Messungen zeigen, hat die Abkühlprozedur, mit der SHF

Resonatoren auf Betriebstemperatur gebracht werden, einen deutlichen

Einfluss auf den Oberflächenwiderstand des Niobs und damit die HF Verluste.

Wir haben einen direkten Zusammenhang zwischen den Temperaturunterschieden

während des Abkühlens und dem Oberflächenwiderstand

gefunden. Die vermutliche Ursache hierfür sind Thermoströme, die während

des Abkühlvorgangs im System aus Niobresonator und dem aus Titan

gefertigtem Heliumtank entstehen. Diese Ströme generieren ein Magnetfeld,

das im Material während des supraleitenden Phasenübergangs eingefroren

wird.

Um die Thermoströme zu quantifizieren wurden die Seebeck-Koeffizienten

von Niob und Titan im Temperaturbereich von 10K bis 100K gemessen.

Auf dieser Grundlage wurden numerische Simulationen des Resonatorsystems

durchgeführt und aus der errechneten Stromverteilung anschließend

das Magnetfeld an der HF Oberfläche bestimmt. Dieses hing kritisch

von der Temperaturverteilung im System ab. Eine direkte Messung des

eingefrorenen Flusses bestätigte die Ergebnisse der Simulationen und war

konsistent mit dem ermittelten Anstieg des Oberflächenwiderstandes.

Die Menge des tatsächlich eingefrorenen Flusses hängt außerdem stark

von den Abkühlbedingungen ab. Aktuelle Studien zu diesem Thema,

einschließlich experimenteller Ergebnisse anderer Gruppen und einer theoretischen

Beschreibung, wurden zusammengefasst und zwei ausgewählte

Fragestellungen mit zusätzlichen Experimenten vertieft. Dafür wurde zum

einen ein durch Wärmeleitung gekühlter Niobresonator untersucht. Hierbei

wurde die Flussverdrägung durch gleichförmiges Abkühlen während

des supraleitenden Phasenübergangs verbessert. Im Anschluss wurden

magneto-optische Messungen durchgeführt um die unterschiedlich geformten

Phasenfronten, zum einen während des Abkühlens und zum anderen

während des Eindringens des Magnetfelds, sichbar zu machen. Die dabei

identifizierten Unterschiede liefern einen wichtigen Ausgangspunkt für weiterführende

Studien zur effektiven Flussverdrängung.

Zusammenfassung (Englisch)

Trapped magnetic flux is known to be a major cause of radio-frequency

(RF) dissipation in superconducting RF cavities for particle accelerators.

Especially in many new machines, which operate at high field in the

continuous-wave mode, these additional losses can be unacceptably high,

both from an operational and economic point of view.

Recent measurements demonstrated that the procedure with which SRF

cavities are cooled to the superconducting state dramatically impacts the

niobium surface resistance which in turn governs the RF power dissipation.

We found a direct correlation between the temperature difference during

cooldown and the surface resistance. We believe that thermocurrents

generated during the cooldown at the niobium cavity and the titanium

tank, which holds the helium, generate a magnetic field. This field is

subsequently trapped when the cavity transitions to the superconducting

state.

To determine the extent of thermocurrents, the thermopowers of niobium

and titanium were measured in the temperature range from 10K to 100K.

Numerical simulations of the cavity system were performed based on these

results. The obtained current distribution was used to estimate the magnetic

field at the RF surface of the cavity, which critically depends on the

temperature profile of the cavity. Direct measurements of the trapped flux

confirmed the simulations and were consistent with the observed increase

in surface resistance.

The extent to which the magnetic flux is actually trapped also depends on

the cooldown conditions. Recent experimental findings, including those of

other groups and a theoretical description, were compiled. Two selected

topics were addressed by additional measurements. For one, we studied

the flux expulsion in a conduction-cooled cavity and found that it is favored

by a homogenous temperature profile during the superconducting

transition. Secondly, we used magneto-optical studies to visualize the different

shapes of the superconducting phase front during either cooldown

or during field penetration. The results provide important starting points

for further investigations of flux expulsion.

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