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Dokument Type: Doctoral Thesis
Title: Surface resistance minimization in SRF cavities by reduction of thermocurrents and trapped flux
Minimierung des Oberflächenwiderstandes supraleitender HF Resonatoren durch Reduzieren von Thermoströmen und eingefangenem Magnetfluss
Authors: Köszegi, Julia-Marie 
Institute: Fakultät IV Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät 
Free keywords: superconductor, particle accelerator, magnetic flux, thermoelectric effect, cavity
Dewey Decimal Classification: 530 Physik
GHBS-Clases: UDWD
UDWP
UHYA
Issue Date: 2016
Publish Date: 2017
Abstract: 
Eingefrorener magnetischer Fluss ist eine bekannte Ursache der hochfrequenz
(HF) Verluste in supraleitenden HF Resonatoren für Teilchenbeschleuniger.
Insbesondere für neue Beschleuniger, die mit hohen Feldern
im Dauerstrichbetrieb arbeiten, können diese Verluste sowohl von einem
betrieblichen als auch einem wirtschaftlichem Gesichtspunkt her unakzeptabel
hoch werden.
Wie jüngste Messungen zeigen, hat die Abkühlprozedur, mit der SHF
Resonatoren auf Betriebstemperatur gebracht werden, einen deutlichen
Einfluss auf den Oberflächenwiderstand des Niobs und damit die HF Verluste.
Wir haben einen direkten Zusammenhang zwischen den Temperaturunterschieden
während des Abkühlens und dem Oberflächenwiderstand
gefunden. Die vermutliche Ursache hierfür sind Thermoströme, die während
des Abkühlvorgangs im System aus Niobresonator und dem aus Titan
gefertigtem Heliumtank entstehen. Diese Ströme generieren ein Magnetfeld,
das im Material während des supraleitenden Phasenübergangs eingefroren
wird.
Um die Thermoströme zu quantifizieren wurden die Seebeck-Koeffizienten
von Niob und Titan im Temperaturbereich von 10K bis 100K gemessen.
Auf dieser Grundlage wurden numerische Simulationen des Resonatorsystems
durchgeführt und aus der errechneten Stromverteilung anschließend
das Magnetfeld an der HF Oberfläche bestimmt. Dieses hing kritisch
von der Temperaturverteilung im System ab. Eine direkte Messung des
eingefrorenen Flusses bestätigte die Ergebnisse der Simulationen und war
konsistent mit dem ermittelten Anstieg des Oberflächenwiderstandes.
Die Menge des tatsächlich eingefrorenen Flusses hängt außerdem stark
von den Abkühlbedingungen ab. Aktuelle Studien zu diesem Thema,
einschließlich experimenteller Ergebnisse anderer Gruppen und einer theoretischen
Beschreibung, wurden zusammengefasst und zwei ausgewählte
Fragestellungen mit zusätzlichen Experimenten vertieft. Dafür wurde zum
einen ein durch Wärmeleitung gekühlter Niobresonator untersucht. Hierbei
wurde die Flussverdrägung durch gleichförmiges Abkühlen während
des supraleitenden Phasenübergangs verbessert. Im Anschluss wurden
magneto-optische Messungen durchgeführt um die unterschiedlich geformten
Phasenfronten, zum einen während des Abkühlens und zum anderen
während des Eindringens des Magnetfelds, sichbar zu machen. Die dabei
identifizierten Unterschiede liefern einen wichtigen Ausgangspunkt für weiterführende
Studien zur effektiven Flussverdrängung.

Trapped magnetic flux is known to be a major cause of radio-frequency
(RF) dissipation in superconducting RF cavities for particle accelerators.
Especially in many new machines, which operate at high field in the
continuous-wave mode, these additional losses can be unacceptably high,
both from an operational and economic point of view.
Recent measurements demonstrated that the procedure with which SRF
cavities are cooled to the superconducting state dramatically impacts the
niobium surface resistance which in turn governs the RF power dissipation.
We found a direct correlation between the temperature difference during
cooldown and the surface resistance. We believe that thermocurrents
generated during the cooldown at the niobium cavity and the titanium
tank, which holds the helium, generate a magnetic field. This field is
subsequently trapped when the cavity transitions to the superconducting
state.
To determine the extent of thermocurrents, the thermopowers of niobium
and titanium were measured in the temperature range from 10K to 100K.
Numerical simulations of the cavity system were performed based on these
results. The obtained current distribution was used to estimate the magnetic
field at the RF surface of the cavity, which critically depends on the
temperature profile of the cavity. Direct measurements of the trapped flux
confirmed the simulations and were consistent with the observed increase
in surface resistance.
The extent to which the magnetic flux is actually trapped also depends on
the cooldown conditions. Recent experimental findings, including those of
other groups and a theoretical description, were compiled. Two selected
topics were addressed by additional measurements. For one, we studied
the flux expulsion in a conduction-cooled cavity and found that it is favored
by a homogenous temperature profile during the superconducting
transition. Secondly, we used magneto-optical studies to visualize the different
shapes of the superconducting phase front during either cooldown
or during field penetration. The results provide important starting points
for further investigations of flux expulsion.
URN: urn:nbn:de:hbz:467-12208
urn:nbn:de:hbz:467-12208
URI: https://dspace.ub.uni-siegen.de/handle/ubsi/1220
License: https://dspace.ub.uni-siegen.de/static/license.txt
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