supraleitender Halbwellenresonatoren zur Beschleunigung leichter Ionen

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3.2 Supraleitung bei Beschleunigern
Anwendung findet die Supraleitung neben der medizinischen Diagnose unter anderem in der
Raumfahrt bei rauscharmen Empfängern, beim Bau von sehr starken Magneten für große
Teilchenbeschleuniger und für Fusionsreaktorentwicklung. Daneben gibt es Hochtemperatur-
Supraleiter, die in der Material- und Medizinforschung zunehmend an Bedeutung gewinnen.
Hinzu kommt der Einsatz von SQUIDS (Superconducting Quantum Interference Devices), die
aus zwei parallel geschalteten Josephson-Tunnelelementen bestehen und in der Lage sind,
extrem geringe Magnetfelder (10 -14 Tesla) zu messen. Josephson Elemente bestehen aus zwei
durch eine dünne Isolierschicht getrennte Supraleiter und zeichnen sich durch einen
supraleitenden Gleichstrom aus, der ohne Spannungsabfall durch das Element fließt. Erreicht
dieser Strom einen kritischen Wert, so tritt ein Spannungsabfall von einigen Millivolt auf. Der
kritische Gleichstrom wird durch sehr geringe Magnetfelder stark beeinflusst.
Ein großes, relativ neues Anwendungsgebiet findet die Supraleitung bei Beschleunigern zur
Ablenkung der Teilchen durch supraleitende Magnete sowie in der Herstellung supraleitender
Hochfrequenzstrukturen, die bei gleichzeitig hohem Tastverhältnis hohe Beschleunigungsspannungen
erzeugen können, um Elektronen, Protonen und schwere Ionen effektiv zu
beschleunigen. Moderne Beschleuniger wie RHIC [RHIC] in Brookhaven oder LHC [LHC]
am CERN würden ohne supraleitende Technologie kaum praktikabel sein.
3.2.1 Supraleitende Magnete
Hohe Magnetfelder sind Voraussetzung für kompakte und dennoch leistungsfähige
Teilchenbeschleuniger. Seit mehr als 30 Jahren wird intensiv an supraleitenden Magneten
geforscht. Diese Entwicklung ermöglicht heute den kostengünstigen Einsatz von
supraleitenden Magneten in der Medizintechnik. So gewähren supraleitende Magnete einen
strahlungsfreien Einblick ins Innere des Körpers, wie bei der Kernresonanzspektroskopie
NMR oder der Magnet-Resonanz-Tomographie MRT [Hornak03].
Bis heute wurde Niob-Titan NbTi für die meisten supraleitenden Standardmagnete eingesetzt.
Neben den guten mechanischen Eigenschaften erlaubt NbTi magnetische Felder bis 9 T bei
flüssigem Helium (4,2 K) als Kühlmedium. Höhere Feldstärken lassen sich durch
intermetallische Verbindungen wie Nb 3 Sn erreichen (~20 T). Der Einsatz supraleitender
Magnete für Teilchenbeschleuniger ist allerdings gegenwärtig auf Ringe mit großen
Biegeradien begrenzt. So weisen supraleitende Magnete eine hohe Feldungenauigkeit auf und
können wegen der auftretenden Wirbelströme nicht schnell verändert werden. Hinzu kommen
Sicherheitseinrichtungen wie eine Quenchkontrolle und ein mechanischer Aufbau, der es
erlaubt, die hohen Ströme in kurzfristig normal leitende Regionen durch Kupferleitungen
abzuleiten.