Beschleunigerphysik: Alternatives Material für supraleitende Hochfrequenzkavitäten getestet
Die Fotomontage zeigt eine Probe aus reinem Niob (links) und eine Probe, die mit Nb3Sn beschichtet wurde (rechts). © HZB
Supraleitende Hochfrequenzkavitäten können Elektronenpakete in modernen Synchrotronquellen und Freien Elektronenlasern mit extrem hoher Energie ausstatten. Zurzeit bestehen sie aus reinem Niob. Eine internationale Kooperation hat nun untersucht, welche Vorteile eine Beschichtung mit Niob-Zinn im Vergleich zu reinem Niob bietet.
Zurzeit ist Niob das Material der Wahl, um supraleitende Hochfrequenzkavitäten zu bauen. So werden sie für Projekte wie bERLinPro und BESSY-VSR eingesetzt, aber auch bei Freien Elektronenlasern wie dem XFEL oder dem LCLS-II.
Beschichtung verspricht Einsparungen
Doch eine Beschichtung mit Niobzinn (Nb3Sn) könnte zu deutlichen Verbesserungen führen. Denn supraleitende Hochfrequenzkavitäten aus Niob müssen bei 2 Kelvin (-271 Grad Celsius) betrieben werden, was aufwändige Kryotechnik erfordert. Durch eine Beschichtung mit Nb3Sn könnten Kavitäten dagegen auch bei 4 statt 2 Kelvin betrieben werden und zudem möglicherweise höhere elektromagnetische Felder aushalten, ohne dass die Supraleitung zusammenbricht. In Zukunft könnte das bei großen Beschleunigern Millionen Euro in Bau- und Stromkosten sparen, da der Aufwand für die Kühlung deutlich geringer ist.
Experimente in USA, Kanada, Schweiz und HZB
Ein Team um Prof. Dr. Jens Knobloch, der das SRF-Institut am HZB leitet, hat nun in Zusammenarbeit mit Kollegen aus den USA, Kanada und der Schweiz Tests mit supraleitenden Proben durchgeführt, die an der Cornell University, USA, mit Nb3Sn beschichtet wurden. Die Experimente fanden am Paul-Scherrer-Institut, Schweiz, am TRIUMF, Kanada, und am HZB statt.
Beschichtete Probe hält mehr aus
„Wir haben die kritischen Magnetfeldstärken von supraleitenden Nb3Sn-Proben in statischen und Hochfrequenz-Feldern gemessen“, sagt Sebastian Keckert, Erstautor der Studie, der im Team von Knobloch promoviert. Durch die Kombination verschiedener Messverfahren konnten sie die theoretische Vorhersage bestätigen, dass das kritische Magnetfeld von Nb3Sn in Hochfrequenz-Feldern höher ist als das für statische Magnetfelder. Allerdings sollte das beschichtete Material im Hochfrequenz-Feld noch ein sehr viel höheres kritisches Magnetfeld aufweisen.
Somit haben die Tests auch gezeigt, dass der aktuell verwendete Beschichtungsprozess zur Herstellung von Nb3Sn weiterentwickelt werden könnte, um den theoretischen Werten noch näher zu kommen.
Die Arbeit wird auf dem Cover der Fachzeitschrift „Superconductor Science and Technology“ , (2019), angezeigt. Critical fields of Nb3Sn prepared for superconducting cavities; S. Keckert, T. Junginger, T. Buck, D. Hall, P. Kolb, O. Kugeler, R. Laxdal, M. Liepe, S. Posen , T. Prokscha, Z. Salman, A. Suter and J. Knobloch
doi:10.1088/1361-6668/ab119e
- Faszinierendes Fundstück wird zu wertvoller WissensquelleDas Bayerische Landesamt für Denkmalpflege (BLfD) hat ein besonderes Fundstück aus der mittleren Bronzezeit nach Berlin geschickt, um es mit modernsten Methoden zerstörungsfrei zu untersuchen: Es handelt sich um ein mehr als 3400 Jahre altes Bronzeschwert, das 2023 im schwäbischen Nördlingen bei archäologischen Grabungen zutage trat. Die Expertinnen und Experten konnten herausfinden, wie Griff und Klinge miteinander verbunden sind und wie die seltenen und gut erhaltenen Verzierungen am Knauf angefertigt wurden – und sich so den Handwerkstechniken im Süddeutschland der Bronzezeit annähern. Zum Einsatz kamen eine 3D-Computertomographie und Röntgendiffraktion zur Eigenspannungsanalyse am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) sowie die Röntgenfluoreszenz-Spektroskopie bei einem von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) betreuten Strahlrohr an BESSY II.
- Topologische Überraschungen beim Element KobaltDas Element Kobalt gilt als typischer Ferromagnet ohne weitere Geheimnisse. Ein internationales Team unter der Leitung von Dr. Jaime Sánchez-Barriga (HZB) hat nun jedoch komplexe topologische Merkmale in der elektronischen Struktur von Kobalt entdeckt. Spin-aufgelöste Messungen der Bandstruktur (Spin-ARPES) an BESSY II zeigten verschränkte Energiebänder, die sich selbst bei Raumtemperatur entlang ausgedehnter Pfade in bestimmten kristallographischen Richtungen kreuzen. Dadurch kann Kobalt als hochgradig abstimmbare und unerwartet reichhaltige topologische Plattform verstanden werden. Dies eröffnet Perspektiven, um magnetische topologische Zustände in Kobalt für künftige Informationstechnologien zu nutzen.
- MXene als Energiespeicher: Vielseitiger als gedachtMXene-Materialien könnten sich für eine neue Technologie eignen, um elektrische Ladungen zu speichern. Die Ladungsspeicherung war jedoch bislang in MXenen nicht vollständig verstanden. Ein Team am HZB hat erstmals einzelne MXene-Flocken untersucht, um diese Prozesse im Detail aufzuklären. Mit dem in situ-Röntgenmikroskop „MYSTIIC” an BESSY II gelang es ihnen, die chemischen Zustände von Titanatomen auf den Oberflächen der MXene-Flocken zu kartieren. Die Ergebnisse zeigen, dass es zwei unterschiedliche Redox-Reaktionen gibt, die vom jeweils verwendeten Elektrolyten abhängen. Die Studie schafft eine Grundlage für die Optimierung von MXene-Materialien als pseudokapazitive Energiespeicher.