CH637505A5

CH637505A5 - Einrichtung zum kuehlen eines supraleitenden hf-resonators und verfahren zu ihrer herstellung.

Info

Publication number: CH637505A5
Application number: CH190179A
Authority: CH
Inventors: Laszlo Szecsi
Original assignee: Kernforschungsz Karlsruhe
Priority date: 1978-03-08
Filing date: 1979-02-27
Publication date: 1983-07-29
Also published as: US4277765A; DE2809913B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Herstellen dieser Einrichtung.

Supraleitende Resonatoren werden z.B. zum Beschleunigen und Ablenken von Teilchen eingesetzt, weil derartige Einrichtungen eine bedeutende Einsparung an Energie bewirken können. Zum Einstellen und Aufrechterhalten des supraleitenden Zustandes müssen die supraleitenden Strukturen mit einem Kühlmittel, z.B. flüssiges Helium, ständig gekühlt werden.

Diese Kühlung von HF-Resonatoren ist bekannt und wird entweder erreicht, indem der supraleitende Resonator in ein Bad mit Flüssighelium (4,2 K) getaucht wird (Immersionsverfahren), oder durch doppelwandige Ausführung des Resonator-gefässes und Füllung des Zwischenraumes mit Flüssighelium, das ständig umgewälzt und ausgetauscht wird.

Diese bekannten Einrichtungen sind mit einer Reihe von Nachteilen behaftet, so ist insbesondere bei dem Immersionsverfahren das Resonatorgefäss, in dessen Innenraum ein Hochvakuum mit einem Druck von < 10~6 Pa aufrechtzuerhalten ist, den Druckschwankungen des Heliumbades ausgesetzt, die Deformationen des Resonators bewirken und unerwünschte Eigenfrequenzänderungen zur Folge haben. Ausserdem kann das Eindringen des Flüssigheliums in den Resonator nur durch besondere, die Dichtheit erhöhende konstruktive Massnahmen verhindert werden. Diese Nachteile werden zwar durch die doppelwandige Ausführung des Resonators weitgehend beseitigt, aber der erforderliche konstruktive Aufwand und die damit verbundenen Kosten sind erheblich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühleinrichtung für supraleitende HF-Resonatoren zu schaffen, die konstruktiv einfach ist, mit geringem Kostenaufwand hergestellt werden kann und frei ist von den Mängeln bekannter Einrichtungen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 beschriebene Einrichtung in überraschend einfacher Weise gelöst. Die Herstellung der Einrichtung nach der Erfindung kann in besonders wirtschaftlicher Weise nach dem in Anspruch 7 angegebenen Verfahren erfolgen, weil die Endplatten und der Mangel des Resonators nach der Herstellung bei einer hohen Temperatur von etwa 2100 K während einer längeren Zeit von etwa 2 Stunden im Hochvakuum zum Einstellen guter Supraleitungseigenschaften ohnehin zu glühen sind.

Besonders vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungs-gemässen Einrichtung und des Verfahrens sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 und 8 und 9 angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Ansicht eines durch Diffusionsschweissen mit einem Blech verbundenen Rohres,

Fig. 2 Schnittbild der Schweissverbindung mit Temperaturmessstellen,

Fig. 3 im Bereich der Schweissstelle in Abhängigkeit von der Heizleistung auftretende Temperaturänderung,

Fig. 4 Resonatorendplatte mit Einrichtung zum Diffusionsschweissen,

Fig. 5 Resonatormantel mit Einrichtung zum Diffusionsschweissen,

Fig. 6 Resonatormantel mit mäanderförmigem Kühlrohr.

Fig. 1 zeigt eine nach dem Diffusionsschweissverfahren hergestellte Verbindung eines Kühlrohres 1 mit einem Blech 2 (Resonatorwand). Beide Teile bestehen aus dem Supraleiterwerkstoff Niob. Das Blech 2 hat eine Dicke von 3 mm, das Kühlrohr 1 die Abmessungen 10x1 mm und wird von flüssigem Helium 3 durchströmt.

Ein Schnittbild dieser Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt, aus der ersichtlich ist, dass das Blech 2 zum Darstellen der im

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Resonator während des Betriebes auftretenden Verlustwärme Endplatte 13 zugewandten Seite durch Sandstrahlen aufgerauht mit einer Kupferplatte 4 wärmeleitend verbunden ist, an die ist. Das spiralförmige Kühlrohr 15 wird mit einer zweiten Niob-eine elektrische Heizpatrone 5 angeschlossen ist. Der Quer- platte 17, die an beiden Seiten durch Sandstrahlen aufgerauht schnitt 6 des Kühlrohres 1 hat die Form eines abgeflachten ist, gegen die Endplatte 13 gedrückt. Zum Einstellen eines vorKreises und ist mit einer der Flachseiten durch Diffusions- 5 bestimmten Anpressdruckes wird die zweite Niobplatte 17 mit schweissen mit dem Blech 2 wärmeleitend verbunden. an ihrer Unterseite durch Sandstrahlen aufgerauhten Niobge-

Die Diffusionsschweissverbindung ist in einem UHV-Ofen wichten 18 belastet.

bei einer Temperatur von 2100 K bei einem Druck von 10"5 Pa, Entsprechend Fig. 5 und Fig. 6 wird der rohrförmige Man-

einem Anpressdruck von 0,4-105 Pa während 2 Stunden herge- tel 10 des Resonators mit einem mäanderförmigen, im wesentli-

stellt. Das Kühlrohr 1 und das Blech 2 sind vor dem Diffusions- 10 chen in Richtung der Resonatorachse orientierten ersten Kühl-

schweissen an den Kontaktstellen poliert und entfettet worden. rohr 20 belegt. Zum Herstellen der Diffusionsschweissverbin-

Die Anordnung ist mit Temperaturfühlern TI bis T4 verse- dung zwischen dem rohrförmigen Mantel 10 und dem hen, mit denen die in Fig. 3 dargestellten Temperaturverläufe mäanderförmigen Kühlrohr 20 werden beide Bauelemente bei als Funktion der mit der Heizpatrone 5 zugeführten Heizlei- horizontaler Lage der Achse des Mantels 10 in eine erste Halb-

stung bei entsprechenden Durchsätzen an Flüssighelium mess- 15 schale 21 aus Niob gelegt und mit einer zweiten Halbsohale 22

bar sind. aus Niob abgedeckt. Die Schalen 21,22 sind an ihren Innensei-

Die Messungen zeigen, dass bei einer maximalen Tempera- ten durch Sandstrahlen aufgerauht. Der Anpressdruck wird turerhöhung von 1 K etwa 0,1 W/cm Rohrlänge abgeführt wer- eingestellt mit an ihrer Unterseite durch Sandstrahlen aufge-

den kann, so dass dieses Kühlverfahren prinzipiell für Resona- rauhte Niobgewichte 23.

toren anwendbar ist, bei denen mit einer Oberflächenbelastung 20 Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe-

von mehreren 100 Watt zu rechnen ist. sondere darin, dass unter Ausnützung der in jedem Fall erfor-

Eine mögliche Ausbildung der Kühleinrichtung nach der derlichen Glühphase ohne wesentlichen zusätzlichen Arbeits-

Erfindung ist in den Fig. 4,5 und 6 vereinfacht dargestellt. Der aufwand eine quasi doppelwandige Kühleinrichtung mit hoher rohrförmige Mantel 10 des Resonators ist an seinen offenen Kühlwirkung herstellbar ist, dass die Resonator-Verlustwärme

Enden 11,12 mit je einer rotationssymmetrischen Endplatte 13 25 mit einem durch die Kühlrohre fliessenden Kühlmittel ohne verschlossen, die in ihrem Zentrum ein Anschlussstück 14 für Schwierigkeiten abgeführt werden kann, dass das in sich ein Strahlrohr besitzt. Mit der Aussenseite der Endplatte 13 ist geschlossene Kühlsystem auch bei tiefen Temperaturen von ein spiralförmiges Kühlrohr 15 durch Diffusionsschweissen 4,2 K zur Zwangsumlaufkühlung mit erhöhter Kühlwirkung fest verbunden. Der Querschnitt des Kühlrohrs 15 hat die Form geeignet ist, dass eine Druckänderung des Kühlmittels im eines abgeflachten Kreises, so dass die Kontaktfläche zwischen 30 Rohrsystem die im Betrieb genau einzuhaltende Eigenfrequenz

Kühlrohr 15 und Endplatte 13 vergrössert ist. Endplatte 13 und des Resonators nicht ändert, dass das Abdichten des Kühlsy-

Kühlrohr 15 bestehen aus Niob, der Aussendurchmesser der stems gegen das inner- und ausserhalb des Resonators beste-

Endplatte 13 beträgt etwa 500 mm, der Innendurchmesser des hende Vakuum in besonders einfacher Weise möglich ist, und

Strahlrohres 120 mm, die Wandstärke 3 mm. Das Kühlrohr hat dass die Dichtheitsforderungen für die an die Oberfläche des die Abmessungen 10x1 mm und ist etwa auf die Aussenmasse 35 Resonators angeflanschten Einrichtungen zum Ein- und Aus-

12x7 mm gedrückt. koppeln von HF-Energie wesentlich herabgesetzt werden kön-

Die Endplatte 13 wird zum Ausführen des Diffusions- nen, weil die Flansche von flüssigem Helium vollkommen frei schweissens auf eine erste Niobplatte 16 gelegt, die an ihrer der bleiben.

1 Blatt Zeichnungen

Claims

637 505 PATENTANSPRÜCHE

1. Einrichtung zum Kühlen eines supraleitenden HF-Reso-nators mit einem flüssigen Kühlmittel, dadurch gekennzeichnet, dass ein das Kühlmittel führendes Rohr (1) mit der Wand (2) des Resonators wärmeleitend verbunden ist, und dass die Verbindung der Resonatorwand (2) mit dem Kühlrohr (1) aus einer Diffusionsschweissverbindung besteht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlrohr (1) mit der Aussenseite der Resonatorwand (2) verbunden ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Kühlrohres (1) mindestens an seiner der Resonatorwand (2) zugewandten Seite die Form eines abgeflachten Kreises hat.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorwand (2) und das Kühlrohr (1) aus dem gleichen Werkstoff, vorzugsweise Niob, besteht.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Mantel (10) eines zylinderförmigen, rotationssymmetrischen Resonators mit einem mäanderförmigen, im wesentlichen in Richtung der Resonatorachse orientierten ersten Kühlrohr (20) belegt ist, und dass jede der den rohrförmigen Mantel (10) an dessen Stirnseite abschliessenden Endplatten (13) symmetrisch zur Resonatorachse mit einem spiralförmigen zweiten Kühlrohr (15) belegt ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (10) des Resonators mit zwei zueinander parallel angeordneten mäanderförmigen ersten Kühlrohren belegt ist, in denen das Kühlmittel gegensinnig strömt.

7. Verfahren zum Herstellen der Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Kühlrohres (1) mindestens auf der für die Verbindung mit der Resonatorwand (2) vorgesehenen Seite durch Drücken abgeflacht wird, dass das Kühlrohr (1) in seiner Form der Resonatorwand (2) angepasst wird, mit der eine Diffusionsschweissverbindung herzustellen ist, dass das Kühlrohr (1) und die Resonatorwand (2) poliert und entfettet wird, dass Resonatorwand (2) und Kühlrohr (1) mit einem vorbestimmten Druck von mindestens 0,4-105 Pa aneinander gepresst werden, und dass während des Pressens die Bauteile in einem Vakuumofen bei einem Druck von P ^ 10~5 Pa während einer vorbestimmten Zeit von zwei bis drei Stunden bei einer Temperatur von etwa 2100 K geglüht werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Vakuumofen jede der Endplatten (13) des Resonators auf eine erste Niob-Platte (16) gelegt wird, die an ihrer der Endplatte (13) zugewandten Seite durch Sandstrahlen aufgerauht ist, dass auf die mit einem spiralförmigen Kühlrohr (15) belegte Endplatte (13) eine an beiden Seiten durch Sandstrahlen aufgerauhte zweite Niobplatte (17) gelegt wird, und dass zum Einstellen des vorbestimmten Anpressdruckes die zweite Niobplatte mit an ihrer Unterseite durch Sandstrahlen aufgerauhten Niob-gewichten (18) belastet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Vakuumofen der mit einem mäanderförmigen Kühlrohr (20) belegte rohrförmige Mantel (10) des Resonators von einer aus Niob bestehenden mehrteiligen Presseinrichtung (21, 22) umschlossen wird, die an ihrer mit dem Kühlrohr (20) in Kontakt stehenden Innenseite durch Sandstrahlen aufgerauht ist, und dass zum Einstellen des vorbestimmten Anpressdruk-kes die horizontale Anordnung mit an ihrer Unterseite aufgerauhten Niobgewichten (23) belastet wird.