DE2809913B1

DE2809913B1 - Einrichtung zum Kuehlen eines supraleitenden Resonators und Verfahren zum Herstellen desselben

Info

Publication number: DE2809913B1
Application number: DE2809913A
Authority: DE
Inventors: Laszlo Dr-Ing Szecsi
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1978-03-08
Filing date: 1978-03-08
Publication date: 1979-06-07
Also published as: US4277765A; CH637505A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zum Herstellen dieser Einrichtung.

Supraleitende Resonatoren werden z.B. zum Beschleunigen und Ablenken von Teilchen eingesetzt, weil derartige Einrichtungen eine bedeutende Einsparung an Energie bewirken können. Zum Einstellen und Aufrechterhalten des supraleitenden Zustandes müssen die supraleitenden Strukturen mit einem Kühlmittel, wie z. B. flüssiges Helium ständig gekühlt werden.

Diese Kühlung von HF-Resonatoren ist bekannt und wird entweder erreicht indem der supraleitende Resonator in ein Bad mit Flüssighelium (4,2 K) getaucht wird (Immersionsverfahren), oder durch doppelwandige Ausführung des Resonatorgefäßes und Füllung des Zwischenraumes mit Flüssighelium, das ständig umgewälzt und ausgetauscht wird.

Diese bekannten Einrichtungen sind mit einer Reihe von Nachteilen behaftet so ist insbesondere bei dem Immersionsverfahren das Resonatorgefäß, in dessen Innenraum ein Hochvakuum mit einem Druck von < 10~⁸ Torr aufrechterhalten ist den Druckschwankungen des Heliumbades ausgesetzt die Deformationen des Resonators bewirken und unerwünschte Eigenfrequenzänderungen zur Folge haben. Außerdem kann das Eindringen des Flüssigheliums in den Resonator nur durch besondere, die Dichtheit erhöhende konstruktive Maßnahmen verhindert werden. Diese Nachteile werden zwar durch die doppelwandige Ausführung des Resonators weitgehend beseitigt aber der erforderliche konstruktive Aufwand und die damit verbundenen Kosten sind erheblich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühleinrichtung für supraleitende HF-Resonatoren zu schaffen, die konstruktiv einfach ist mit geringem Kostenaufwand hergestellt werden kann und frei ist von den Mängeln bekannter Einrichtungen der erfindungsgemäßen Art

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 beschriebene Einrichtung in überraschend einfacher Weise gelöst Die Herstellung der Einrichtung nach der Erfindung kann in besonders wirtschaftlicher Weise nach dem in Anspruch 5 angegebenen Verfahren erfolgen, weil die Endplatten und der Mantel des Resonators nach der Herstellung bei einer hohen Temperatur von etwa 2100 K während einer längeren Zeit von etwa 2 Stunden im Hochvakuum zum Einstellen guter Supraleitungseigenschaften ohnehin zu glühen sind.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß unter Ausnutzung der in jedem Fall erforderlichen Glühphase ohne wesentlichen zusätzlichen Arbeitsaufwand eine quasi doppelwandige Kühleinrichtung mit hoher Kühlwirkung herstellbar ist daß die Resonator-Verlustwärme mit einem durch die Kühlrohre fließenden Kühlmittel ohne Schwierigkeiten

ORIGINAL INSPECTED

abgeführt werden kann, daß das in sich geschlossene Kühlsystem auch bei tiefen Temperaturen von 4,2 K zur Zwangsumlaufkühlung mit erhöhter Kühlwirkung geeignet ist, daß eine Druckänderung des Kühlmittels im Rohrsystem die im Betrieb genau einzuhaltende Eigenfrequenz des Resonators nicht ändert, daß das Abdichten des Kühlsystems gegen das innerhalb und außerhalb des Resonators bestehende Vakuum in besonders einfacher Weise möglich ist, und daß die Dichtheitsforderungen für die an die Oberfläche des Resonators angeflanschten Einrichtungen zum Ein- und Auskoppeln von HF-Energie wesentlich herabgesetzt werden können, weil die Flansche von flüssigem Helium vollkommen frei bleiben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 Ansicht eines durch Diffusionsschweißen mit einem Blech verbundenen Rohres,

F i g. 2 Schnittbild der Schweißverbindung mit Temperaturmeßstellen,

F i g. 3 im Bereich der Schweißstelle in Abhängigkeit von der Heizleistung auftretende Temperaturänderung,

Fig.4 Resonatorendplatte mit Einrichtung zum Diffusionsschweißen,

F i g. 5 Resonatormantel mit Einrichtung zum Diffusionsschweißen,

F i g. 6 Resonatormantel mit mäanderförmigem Kühlrohr.

F i g. 1 zeigt eine nach dem Diffusionsschweißverfahren hergestellte Verbindung eines Kühlrohres 1 mit einem Blech 2 (Resonatorwand). Beide Teile bestehen aus dem Supraleiterwerkstoff Niob. Das Blech 2 hat eine Dicke von 3 mm, das Kühlrohr 1 die Abmessungen 10 χ 1 mm und wird von flüssigem Helium 3 durchströmt

Ein Schnittbild dieser Anordnung ist in Fig.2 dargestellt, aus der ersichtlich ist, daß das Blech 2 zum Darstellen der im Resonator während des Betriebes auftretenden Verlustwärme mit einer Kupferplatte 4 wärmeleitend verbunden ist an die eine elektrische Heizpatrone 5 angeschlossen ist Der Querschnitt 6 des Kühlrohres 1 hat die Form eines abgeflachten Kreises und ist mit einer der Flachseiten durch Diffusionsschweißen mit dem Blech 2 wärmeleitend verbunden.

Die Diffusionsschweißverbindung ist in einem UHV-Ofen bei einer Temperatur von 2100 K bei einem Druck von ΙΟ-⁷ Torr, einem Anpreßdruck von 0,4 bar während 2 Stunden hergestellt Das Kühlrohr 1 und das Blech 2 sind vor dem Diffusionsschweißen an den Kontaktstellen poliert und entfettet worden.

Die Anordnung ist mit Temperaturfühlern 7*1 bis 7*4 versehen, mit denen die in Fig.3 dargestellten Temperaturverläufe als Funktion der mit der Heizpatrone 5 zugeführten Heizleistung bei entsprechenden Durchsätzen an Flüssighelium meßbar sind.

Die Messungen zeigen, daß bei einer maximalen Temperaturerhöhung von 1 K etwa 0,1 W/cm Rohrlänge abgeführt werden kann, so daß dieses Kühlverfahren prinzipiell für Resonatoren anwendbar ist bei denen mit einer Oberflächenbelastung von mehreren 100 Watt zu rechnen ist

Eine mögliche Ausbildung der Kühleinrichtung nach der Erfindung ist in den Fig.4, 5 und 6 vereinfacht dargestellt. Der rohrförmige Mantel 10 des Resonators ist an seinen offenen Enden 11, 12 mit je einer rotationssymmetrischen Endplatte 13 verschlossen, die in ihrem Zentrum ein Anschlußstück 14 für ein Stahlrohr besitzt Mit der Außenseite der Endplatte 13 ist ein spiralförmiges Kühlrohr 15 durch Diffusionsschweißen fest verbunden. Der Querschnitt der Kühlrohre 15 hat die Form eines abgeflachten Kreises, so daß die Kontaktfläche zwischen Kühlrohr 15 und Endplatte 13 vergrößert ist. Endplatte 13 und Kühlrohr 15 bestehen aus Niob, der Außendurchmesser der Endplatte 13 beträgt etwa 500 mm, der Innendurchmesser des Strahlrohres 120 mm, die Wandstärke 3 mm. Das Kühlrohr hat die Abmessungen 10 χ 1 mm und ist etwa auf die Außenmaße 12 χ 7 mm gedrückt

Die Endplatte 13 wird zum Ausführen des Diffusionsschweißens auf eine erste Niobplatte 16 gelegt, die an ihrer der Endplatte 13 zugewandten Seite durch Sandstrahlen aufgerauht ist. Das spiralförmige Kühlrohr 15 wird mit einer zweiten Niobplatte 17, die an beiden Seiten durch Sandstrahlen aufgerauht ist gegen die Endplatte 13 gedrückt Zum Einstellen eines vorbestimmten Anpreßdruckes wird die zweite Niobplatte 17 mit an ihrer Unterseite durch Sandstrahlen aufgerauhten Niobgewichten 18 belastet.

Entsprechend F i g. 5 und F i g. 6 wird der rohrförmige Mantel 10 des Resonators mit einem mäanderförmigen, im wesentlichen in Richtung der Resonatorachse orientierten ersten Kühlrohr 20 belegt Zum Herstellen der Diffusionsschweißverbindung zwischen dem rohrförmigen Mantel 10 und dem mäanderförmigen Kühlrohr 20 werden beide Bauelemente bei horizontaler Lage der Achse des Mantels 10 in eine erste Halbschale 21 aus Niob gelegt und mit einer zweiten Halbschale 22 aus Niob abgedeckt. Die Schalen 21, 22 sind an ihren Innenseiten durch Sandstrahlen aufgerauht. Der Anpreßdruck wird eingestellt mit an ihrer Unterseite durch Sandstrahlen aufgerauhte Niobgewichte 23.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Kühlen eines supraleitenden HF-Resonators mit einem flüssigen Kühlmittel, welches sich in einem mit der Wand des Resonators wärmeleitend verbundenen Rohr befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Resonatorwand (2) mit dem Kühlrohr (1) aus einer Diffusionsschweißverbindung besteht

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlrohr (1) an der Außenseite der Resonatorwand (2) befestigt ist

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der Querschnitt des Kühlrohres

(1) mindestens an.seiner der Resonatorwand (2) zugewandten Seite die Form eines abgeflachten Kreises hat

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die Resonatorwand (2) und das Kühlrohr (1) aus dem gleichen Werkstoff, vorzugsweise Niob besteht

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß der rohrförmige Mantel (10) eines zylinderförmigen, rotationssymmetrischen Resonators mit einem mäanderförmigen, im wesentlichen in Richtung der Resonatorachse orientierten ersten Kühlrohr (20) belegt ist und daß jede der den rohrförmigen Mantel (10) an dessen Stirnseite abschließenden Endplatten (13) symmetrisch zur Resonatorachse mit einem spiralförmigen zweiten Kühlrohr (15) belegt ist

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß der Mantel (10) des Resonators mit zwei zueinander parallel angeordneten mäanderförmigen ersten Kühlrohren belegt ist in denen das Kühlmittel gegensinnig strömt

7. Verfahren zum Herstellen der Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß der Querschnitt des Kühlrohres (1) mindestens auf der für die Verbindung mit der Resonatorwand (2) vorgesehenen Seite durch Drücken abgeflacht wird, daß das Kühlrohr (1) in seiner Form der Resonatorwand (2) angepaßt wird, mit der eine Diffusionsschweißverbindung herzustellen ist daß das Kühlrohr (1) und die Resonatorwand

(2) poliert und entfettet wird, daß Resonatorwand (2) und Kühlrohr (1) mit einem vorbestimmten Druck von mindestens 0,4 bar aneinandergepreßt werden, und daß während des Pressens die Bauteile in einem Vakuumofen bei einem Druck von ρ < 10~⁷Torr während einer vorbestimmten Zeit von vorzugsweise zwei bis drei Stunden bei einer Temperatur von etwa 2100 K geglüht werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß im Vakuumofen jede der Endplatten (13) des Resonators auf eine erste Niob-Platte (16) gelegt wird, die an ihrer der Endplatte (13) zugewandten Seite durch Sandstrahlen aufgerauht ist daß auf die mit einem spiralförmigen Kühlrohr (15) belegte Endplatte (13) eine an beiden Seiten durch Sandstrahlen aufgerauhte zweite Niobplatte (17) gelegt wird, und daß zum Einstellen eines vorbestimmten Anpreßdruckes die zweite Niobplatte mit an ihrer Unterseite durch Sandstrahlen aufgerauhten Niobgewichten (18) belastet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Vakuumofen der mit einem mäanderförmigen Kühlrohr (20) belegte rohrförmige Mantel (10) des Resonators von einer aus Niob bestehenden mehrteiligen Preßeinrichtung (21, 22) umschlossen wird, die an ihrer mit dem Kühlrohr (20) in Kontakt stehenden Innenseite durch Sandstrahlen aufgerauht ist und daß zum Einstellen eines vorbestimmten Anpreßdruckes die horizontale Anordnung mit an ihrer Unterseite aufgerauhten Niobgewichten (23) belastet wird.