supraleitender Halbwellenresonatoren zur Beschleunigung leichter Ionen

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Kapitel 3
Einführung in die Theorie der Supraleitung
Dieses Kapitel dient zur Einführung in die Grundlagen der Supraleitung und kann aufgrund
der Vielfältigkeit des Gebietes nur einen kleinen Einblick in die Theorie geben. Vornehmlich
werden die Besonderheiten der Supraleitung bei der Betrachtung von Beschleunigungsstrukturen
aufgeführt, die sich maßgeblich von herkömmlichen Einsatzgebieten wie
Hochfeldmagneten oder hoch empfindlichen Feldsensoren unterscheidet.
Voraussetzung für die Entdeckung der Supraleitung war die Verflüssigung von Helium. Heike
Kamerlingh-Onnes (1853-1926) gelang es 1908 erstmalig in seinem Tieftemperaturlabor in
Leiden, Helium bei einer Temperatur von 4,2 K zu verflüssigen. Bereits 1911 war er in der
Lage, flüssiges Helium in so großen Mengen herzustellen, dass auch Substanzen bei 1,7 K
untersucht werden konnten. Bereits die ersten Widerstandsmessungen mit reinem Quecksilber
zeigten eine abrupte Widerstandsänderung bei 4,2 K. Innerhalb der Messgenauigkeit sank der
Widerstand um 15 Größenordnungen. Kamerlingh-Onnes nannte diesen Effekt selbst
Supraleitung und erhielt 1913 den Nobelpreis für Physik, allerdings für die Verflüssigung von
Helium.
Zwanzig Jahre nach den ersten Messungen der Supraleitung wurden erste theoretische
Modelle für die Supraleitung vorgestellt.
Die umfangreichen Versuche von Fritz Walther Meissner (1882-1974) und Robert Ochsenfeld
(1901-1993) im Jahre 1933 zeigten, dass Supraleiter neben der Eigenschaft R = 0 Ω noch eine
weitere wichtige, magnetische Eigenschaft besitzen. Sie konnten zeigen, dass ein Supraleiter
beim Eintritt der Supraleitung ein vorhandenes Magnetfeld aus dem Inneren verdrängt. Neben
der annähernd unendlichen Leitfähigkeit weisen Supraleiter also die Eigenschaft auf, dass die
magnetische Induktion B im Inneren verschwindet (Meissner-Ochsenfeld-Effekt). Sie sind
somit ideale Diamagnete.
1935 gelang es den Brüdern Fritz (1900-1954) und Heinz London (1907-1970) durch die
Kombination eines Leiters mit dem Widerstand R = 0 Ω und der ersten Maxwellschen
Gleichung, diesen Effekt makroskopisch zu beschreiben. Eine weitere Erweiterung der
Maxwellschen Gleichungen resultierte in die zweite London-Gleichung und beschreibt dabei
den Meissner-Ochsenfeld-Effekt.