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Untersuchung der supraleitenden Eigenschaften von Niobnitrid anhand Messungen an einzelligen 3 GHz-Resonatoren

Grewe, Ruben Bernhard Frederic (2020):
Untersuchung der supraleitenden Eigenschaften von Niobnitrid anhand Messungen an einzelligen 3 GHz-Resonatoren.
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt, DOI: 10.25534/tuprints-00012803,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Untersuchung der supraleitenden Eigenschaften von Niobnitrid anhand Messungen an einzelligen 3 GHz-Resonatoren
Language: German
Abstract:

Diese Dissertation befasst sich mit der Erzeugung verschiedener Niobnitridphasen. Einige dieser Phasen sind aufgrund von höheren Sprungtemperaturen und kritischen Magnetfeldern als bei reinem Niob für die Anwendung für supraleitende Beschleunigungsstrukturen interessant. Die Erzeugung dieser Niobnitride erfordert hohe Temperaturen > 1300 °C, die vom Ultrahochvakuumofen (UHV Ofen) am S-DALINAC erreicht werden können. Um einen Prozess für die Nitrierung von Niob-Kavitäten zu optimieren, wurden zunächst Niobproben im UHV Ofen verschiedenen Prozessen mit unterschiedlichen Stickstoffdrücken, Temperaturen und Zeitspannen unterzogen. Für den so optimierten Prozess ergab sich eine Temperatur von ca. 1550 °C, einem Stickstoffdruck von 100 mbar und einer Dauer von 60 min um die γ-Phase des Niobnitrides zu erzeugen. Diese Phase weist mit Tc = 12,2 K eine gegenüber Tc = 9,25 K von reinem Niob höhere Sprungtemperatur auf. Dieser optimierte Prozess wurde auf eine einzellige Kavität übertragen, die eine Resonanzfrequenz von ca. 3 GHz aufweist. Die Kavität weist nach der Behandlung keine Sprungtemperatur bis 8 K auf. Dies ist ein Hinweis auf die β-Nb2N-Phase, die mit einer Sprungtemperatur von 1,2 K für supraleitende Kavitäten uninteressant ist. Eine Übertragung des Prozesses von einfachen Proben auf die komplexere Geometrie von elliptischen einzelligen Kavitäten erfordert weitere Optimierungsschritte des Nitrierungsprozesses anhand von Kavitäten. Wichtige Größen zur Charakterisierung der Performanz supraleitender Kavitäten sind die Güte Q0 und die maximal erreichbaren Feldstärken, z.B. die maximal in die Oberfläche eindringende magnetische Flussdichte B peak . Um diese charakteristischen Größen zu bestimmen, war die Neuentwicklung eines Einsatzes für den vertikalen Badkryostaten am S-DALINAC erforderlich, der Messungen an Kavitäten bis unter 2 K ermöglicht. Die zentrale Neuentwicklung ist eine von außen bei kaltem Kryostaten einstellbare variable Einkopplung, die die Anpassung der externen Güte Qex der Einkoppelantenne an die Güte Q0 der Kavität ermöglicht, um die Güte Q0 und die elektromagnetischen Feldstärken mit niedrigen Unsicherheiten messen zu können. Die variable Einkopplung ermöglicht Messungen an den angeschafften einzelligen Kavitäten, den fünf- und 20-zelligen Kavitäten des S-DALINAC und an der neuen sechszelligen Einfangstruktur des S-DALINAC. Mit der variablen Einkopplung wurden erfolgreich die charakteristischen Größen Güte Q0 = (3,58 ± 0,42)e9 und die maximale Oberflächenflussdichte Bpeak = (10,2 ± 0,5) mT einer einzelligen Kavität bei einer Temperatur von T = (1,94 ± 0,08) K gemessen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The dissertation at hand addresses the creation of various niobium nitride (Nb-N) phases. Some phases feature higher critical temperatures and higher critical magnetic fields compared to high-purity bulk niobium. These phases are interesting for the application on superconducting radio-frequency (SRF) cavities. The nucleation of these niobium nitrides takes place at high temperatures above 1300 °C. In contrast to the vacuum furnaces usually used for hydrogen bake-out of niobium cavities up to temperatures of 800 °C, the ultra high vacuum (UHV) furnace at the S-DALINAC is capable of temperatures of up to 1750 °C. The optimization for the nucleation process was performed using niobium samples of size 10 × 10mm which undergone processes with different nitrogen pressures, durations and temperatures. A process for the nucleation of the γ-Nb 4 N 3 phase was found at a temperature of 1550 °C, a nitrogen pressure of 100 mbar and a duration of 60 min. The γ-Nb 4 N 3 -phase features a critical temperature of 12,2 K, which is higher then the critical temperature of bulk niobium (9,25 K) promising a lower surface resistivity. The optimized process was transfered to a elliptical single cell cavity with a resonance frequency of 3 GHz. A critical temperature measurement of that cavity doesn’t yield a result down to 8 K indicating a β-Nb 2 N-phase with a much lower critical temperature of 1,2 K on the surface of the cavity. Further optimization of the nitridation process for cavities is needed. Important quantities to characterize the performance of SRF cavities are the unloaded quality factor Q 0 and the achievable electromagnetic fields, e.g. the magnetic field penetrating the surface B peak . The insert of the vertical bath cryostat of the S-DALINAC was redesigned to allow measurements of the characteristic quantities down to temperatures below 2 K. The most significant new development is a variable input coupler allowing adjustment of the coupling strength of the input rf antenna. This allows measurements with low uncertainties of Q 0 and B peak . The new insert is adaptable to the single-, five-, six- and 2-cell srf cavities of the S-DALINAC. The variable input coupling was successfully commissioned by measurement of Q 0 = (3,58 ± 0,42) · 10 9 and B peak = (10,2 ± 0,5) mT of a single cell cavity at a temperature of T = (1,94 ± 0,08) K.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Technische Kernphysik und Beschleunigerphysik
Date Deposited: 29 Jul 2020 13:07
Last Modified: 29 Jul 2020 16:44
DOI: 10.25534/tuprints-00012803
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-128039
Referees: Pietralla, Prof. Dr. Norbert and Enders, Prof. Dr. Joachim
Refereed: 24 June 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/12803
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