DE3812660C2

DE3812660C2 -

Info

Publication number: DE3812660C2
Application number: DE19883812660
Authority: DE
Inventors: Arnold 5250 Engelskirchen De Palussek; Hanspeter 5600 Wuppertal De Vogel; Werner 5227 Windeck De Szcepaniak
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-04-15
Filing date: 1988-04-15
Publication date: 1993-06-24
Also published as: DE3812660A1

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und umfaßt nach diesem Verfahren hergestellte Hochfrequenz-Resonatoren.

Hochfrequenz-Resonatoren für Beschleuniger werden bevorzugt aus reinem Niob hergestellt, weil dieses bei entsprechender Temperatur supraleitend ist. Die Wärmeleitfähigkeit von Niob bei diesen Temperaturen ist allerdings so schlecht, daß Hochfrequenz-Resonatoren aus Niob möglichst dünnwandig hergestellt und mit einer ausreichenden Helium-Kühlung ausgestattet werden müssen. Ihre Anordnung in einem mit flüssigem Helium gefüllten Behälter ist nicht nur sehr aufwendig beim Bau und im Betrieb, sie hat auch den Nachteil, daß durch unvermeidliche Druckschwankungen im Helium-Bad die Wand des Resonators elastisch verformt und damit seine Resonanzfrequenz verändert werden kann. Die Anforderungen an einen Niob-Resonator als Teil eines Druckbehälters stehen im Gegensatz zu dem oben erwähnten Wunsch nach möglichst dünner Wandstärke. Eine gut wärmeleitende Verbindung von Niob mit anderen Metallen ist wegen der auf Niob vorhandenen Oxyd-Schicht schwierig und verschlechtert bei den bei der Herstellung bisher üblichen Temperaturen die Wärmeleitfähigkeit des Niob bei tiefen Temperaturen.

In den IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-30, No. 4, August 1983 "SUPERCONDUCTING CAVITIES FROM NIOBIUM-COPPER MATERIAL" wird vorgeschlagen, Niob-Resonatoren mit flüssigem Helium in Kupfer-Rohren zu kühlen. Dort werden auch Niob-Kupfermaterialien von guter Verbindungsqualität erwähnt, aber nicht näher beschrieben. Beispielsweise sollen die Rohre direkt auf einen Niob-Resonator aufgelötet werden. Auch das heiß-isostatische Pressen von Kupfer- und Niob-Blechen unter Inertgas und bei Temperaturen bis 1000°C werden erwähnt. Diese heiß gepreßten Komposit-Bleche sollen auf die gewünschte Dicke gewalzt und anschließend im Vakuum geglüht werden. Weiterhin wird dort auch vorgeschlagen, Kupfer bei etwa 1100°C im Vakuum auf Niob-Bleche aufzuschmelzen, wobei die auf dem Niob-Blech normalerweise vorhandene Oxyd-Schicht verschwinden soll. Auch das Elektroplattieren nach dem Aufschmelzen einer dünnen Kupfer-Schicht auf dem Niob wird erwähnt, sowie die Möglichkeit, plattierte Bleche miteinander zu verschweißen. Weitere Entwicklungen in bezug auf die Schweißtechnik und auch in bezug auf Verformungstechniken ohne Schweißen werden aber als sehr nützlich bezeichnet. Die Verformung von plattierten Niob-Blechen ist noch ein Problem.

In der Fachzeitschrift "GALVANO-TECHNIK", Band 78 (1987) im Heft 4 wird unter der Überschrift "Kupfergalvanoformung für Hochleistungswärmetauscher" von W. Szcepaniak ausführlich über die Galvanoformung von rohrförmigen Kühlkanälen aus Kupfer berichtet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein supraleitfähiger Hochfrequenz-Resonator aus Niob, der zu Kühlzwecken mit einem Kühlmantel aus einem anderen Metall umgeben ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens mit den in Anspruch 1 angegebenen Schritten und bezüglich des Resonators mit den in Anspruch 5 angegebenen Merkmalen gelöst.

Als "anderes Metall" zur Herstellung des Kühlmantels im Wege der Galvanoformung kommt insbesondere Kupfer in Frage; weiterhin sind anstelle des Kupfers Nickel und Aluminium denkbar.

Ausgestaltungen dieses Herstellungsverfahrens sind in den Ansprüchen 2-4 angegeben.

Mit diesen Verfahren wird ein Hochfrequenz-Resonator aus Niob mit einem gut kühlbaren Mantel hergestellt, bei dem eine einwandfreie Verbindung zwischen Niob und Kühlmantel gewährleistet ist und dennoch die Verformung von plattierten Niob-Blechen vermieden wird. Bis auf die normalerweise mit Elektronenstrahl geschweißten Verbindungen zwischen Resonatoren, Strahlrohren und Niob-Ringen, die technisch keine besonderen Schwierigkeiten bereiten, kann das ganze Herstellungsverfahren im kalten Zustand durchgeführt werden, so daß die inzwischen erreichbaren guten Wärmeleiteigenschaften des Niobs weder durch hohe Temperaturen noch durch interstitielle Sauerstoffaufnahme verändert werden.

Die Ansprüche 6 und 7 sind auf vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes von Anspruch 5 gerichtet.

Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die Figur zeigt einen erfindungsgemäß hergestellten Hochfrequenz-Resonator, und zwar in der linken Hälfte als Längsschnitt und in der rechten Hälfte als Ansicht. Der eigentliche Hochfrequenz-Resonator 1 besteht im Beispiel nur aus einem rotationssymmetrischen Hohlkörper, der aus zwei Schalen 2 von S-förmigem Längsschnitt und zwei koaxialen Strahlrohren 3 mit Flanschen 4 mittels Elektronenstrahl zusammengeschweißt ist. Außerdem tragen die Strahlrohre 3 jeweils einen Niob-Ring 5 mit einer Kupferplattierung 6, an die ein Kühlmantel 7 angeschlossen ist, der den ganzen Resonator 1 zwischen den beiden Ringen 5 mit etwa gleichbleibendem, geringem Abstand umgibt. An diesem Kühlmantel 7 sind Abstandshalter 8 befestigt, die auf dem Niob nur aufliegen und die auch als Leitflächen für ein Kühlmedium ausgestaltet sein können. Am jeweils tiefsten und höchsten Punkt des Kühlmantels 7 (bei waagerechter Achse) ist ein Zuflußstutzen 9 und ein Abflußstutzen 10 vorhanden, die jeweils aus Edelstahl bestehen und mit dem Kühlmantel 7 metallurgisch verbunden sind. Der Kühlmantel 7 wird hergestellt, indem auf den Resonator 1 zwischen den Ringen 5 eine Wachsschicht 11 aufgetragen wird, die in an sich bekannter Weise elektrisch leitend beschichtet und galvanisch verkupfert wird. Diese Verkupferung schließt sich nahtlos an die Kupferplattierung 6 der Ringe 5 sowie an die Abstandshalter 8 und die beiden Stutzen 9 und 10 an. Die Wachsschicht 11 kann eine Dicke von ca. 4 mm haben, während für die aufzutragende Kupferschicht des Kühlmantels 7 bei einem Durchmesser des Resonators 1 von 750 mm eine Dicke von 3 mm ausreichend erscheint. Zum Ausschmelzen der Wachsschicht 11 erscheint eine Temperatur von ca. 100°C ausreichend, bei der keine Änderung der Niob-Eigenschaften zu erwarten sind. Selbstverständlich können gemäß der vorliegenden Erfindung auch Resonatoren aus mehreren Hohlkörpern verwendet werden. Auch die Verwendung anderer Metalle wie Nickel oder Aluminium anstatt Kupfer erscheint möglich.

Bezugszeichenliste

1 Hochfrequenz-Resonator
2 Schalen
3 koaxiale Strahlrohre
4 Flansche
5 Niob-Ring
6 Kupferplattierung
7 Kühlmantel
8 Abstandshalter
9 Zuflußstutzen
10 Abflußstutzen
11 Wachsschicht

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines mit einem Kühlmantel (7) versehenen Hochfrequenz-Resonators (1), der zumindest einen aus Niob bestehenden Hohlkörper und gleichfalls aus Niob bestehende, koaxiale Strahlrohre (3) aufweist und dessen Kühlmantel (7) aus einem anderen Metall besteht, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) auf jedes Strahlrohr (3) wird ein aus Niob bestehender und außenseitig mit einer Plattierung (6) aus dem anderen Metall versehener Ring (5) aufgeschweißt;
b) auf den Resonator (1) und die Strahlrohre (3) wird zwischen den Ringen (5) eine Wachsschicht (11) aufgetragen,
c) die Wachsschicht (11) wird stromleitend beschichtet;
d) auf die Wachsschicht (11) und die Plattierungen (6) wird als Kühlmantel (7) galvanisch eine Schicht aus dem anderen Metall aufgetragen;
e) die Wachsschicht (11) wird entfernt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem vor dem galvanischen Auftragen des Kühlmantels (7) Abstandshalter (8) und/oder Leitflächen für das Kühlmittel in die Wachsschicht (11) eingebracht und beim Aufbringen des Kühlmantels (7) galvanisch mit diesem verbunden werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem vor dem Aufbringen des Kühlmantels (7) der Zuflußstutzen (9) und Abflußstutzen (10) für das Kühlmittel auf die Wachsschicht (11) aufgebracht und beim Aufbringen des Kühlmantels (7) galvanisch mit diesem verbunden werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem nach dem Entfernen der Wachsschicht (11) der Kühlmantel (7) mit Zuflußstutzen (9) und Abflußstutzen (10) versehen wird.

5. Supraleitfähiger Hochfrequenz-Resonator (1) mit zumindest einem Hohlkörper und koaxialen Strahlrohren (3) aus Niob sowie einem Kühlmantel (7) aus einem anderen Metall, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Strahlrohr (3) einen aus Niob bestehenden Ring (5) trägt und diese Ringe mit dem den Resonator (1) mit geringem Abstand umgebenden Kühlmantel (7) galvanisch verbunden sind.

6. Hochfrequenz-Resonator (1) nach Anspruch 5, bei dem der Kühlmantel (7) Abstandshalter (8) und/oder Leitflächen für das Kühlmittel trägt, die zwischen dem Resonator (1) und dem Kühlmantel (7) angeordnet sind.

7. Hochfrequenz-Resonator nach Anspruch 5 oder 6, bei dem der Kühlmantel (7) Zuflußstutzen (9) und Abflußstutzen (10) für das Kühlmittel trägt und bei dem die Zuflußstutzen (9) und Abflußstutzen (10) galvanisch mit dem Kühlmantel (7) verbunden sind.