supraleitender Halbwellenresonatoren zur Beschleunigung leichter Ionen

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Die Wärmeleitung der Keramik ist bei 4 K sehr gering. Dadurch ergeben sich höhere
Temperaturgradienten, die zu mechanischen Spannungen im Material führen können und
wegen der geringen Bruchdehnung besonders berücksichtigt werden müssen. Die mittlere
zulässige Verlustleistung in der Keramik beträgt etwa 20 mW.
Als Flanschmaterial wurde Titan gewählt, das einen ähnlichen Temperaturkoeffizienten wie
die Keramik besitzt, sodass die hohen Temperaturunterschiede während des Herunterkühlens
nicht zu Spannungen in der Metall-Keramik Verbindung führen. Außerdem ist Titan
unmagnetisch, wodurch die Gefahr von „einfrierenden Magnetfeldern“ und damit die
Verschlechterung der supraleitenden Eigenschaften verhindert wird.
Diese Art der Einkopplung wurde bereits in den 70ger Jahren bei normal leitenden
Beschleunigerstrukturen eingesetzt [Böhne79], und die dort gewonnene langjährige Erfahrung
half maßgeblich bei der Umsetzung zur Nutzung unter tiefen Temperaturen. Der Einsatz der
Aluminiumoxid-Keramik bei einer Temperatur von 4 K verlangt im betrachteten Fall
allerdings eine deutliche Einschränkung der möglichen Verluste auf etwa 1/1000 im
Vergleich zu den Auslegungswerten bei Raumtemperatur.
Zur Unterdrückung statischer Aufladungen ist eine schwach leitende Beschichtung
unumgänglich. Obwohl das Fenster im Bereich maximalen Magnetfeldes eingesetzt wird,
ergeben sich nicht zu vernachlässigende elektrische Felder, die eine besondere Wahl der
Beschichtung erfordern. Zum einen muss eine bei tiefen Temperaturen genügende elektrische
Leitfähigkeit gegen statische Aufladungen gegeben sein, und zum anderen dürfen die HF-
Verluste nicht maßgeblich in Erscheinung treten.
Der spezifische Widerstand einer metallischen Beschichtung sinkt bei tiefen Temperaturen bis
zu einem von Verunreinigungen abhängigen konstanten Wert. Die Einhaltung zulässiger HF-
Verluste hätte auch bei starken Verunreinigungen extrem dünne Schichten zur Folge. Hinzu
kommt, dass das Gefüge Keramik-Beschichtung wegen der hohen Temperaturunterschiede
während der Abkühlphase nicht zu hohe Unterschiede im Temperaturgradienten aufweisen
darf. Als optimal erwies sich eine amorphe Germanium-Schicht, die mittels einer
Aufdampfeinrichtung [Krings03] nach einer Reinigung der Keramik aufgebracht wurde.
Dieser Prozess ist zwar hinsichtlich Wiederholrate und HF-Verlusten noch nicht optimiert,
wurde aber zur Untersuchung der Prototypen bereits eingesetzt und wies keine
nachweislichen Probleme auf.
Die Schichtdicke liegt im Bereich von 50-80 nm. Schichtdicken größer als 80 nm würden
einen zu großen Wechselfeld-Leitwert aufweisen und die Verluste im Bereich des flüssigen
Heliums maßgeblich beeinflussen [Schug03].
Die Beschichtung begünstigt zudem noch die Reduzierung des hohen Sekundär-Elektronen-
Emissions-Koeffizienten der Keramik (Aluminiumoxid) und verringert damit das
Multipacting-Risiko im Bereich der Resonator-Endkappen. Im Vergleich zu Kupfer weist
Aluminiumoxid einen mehr als dreifachen Sekundär-Elektronen-Emissions-Koeffizienten auf
[Lilje98].