SUPRALEITUNG - BESCHLEUNIGERTECHNOLOGIE von Milan Klöwer

INHALTE 1.1 ENTDECKUNG 1.2 PHÄNOMEN 1.3 SUPRALEITER 2.ART 1.0 SUPRALEITUNG 1.1 ENTDECKUNG 1.2 PHÄNOMEN 1.3 SUPRALEITER 2.ART 1.4 SPRUNGTEMPERATUREN 1.5 GRENZEN 2.0 BESCHLEUNIGERTECHNOLOGIE 2.1 BESCHLEUNIGERKAVITÄTEN 2.2 ABLENKMAGNETE 2.3 LHC 2.4 KREISBESCHLEUNIGER 2.5 RUTHERFORD-KABEL 2.6 QUENCH

1.1 ENTDECKUNG Heike Kamerlingh Onnes‘ experimentellen Resultate von 1911 (u.a. Nobelpreis für Heliumverflüssigung) Nicht erwarteter verschwindender Widerstand von Quecksilber bei 4,2 Kelvin → Supraleitung Vorstellungen um 1900: Abhängigkeit des Widerstandes von der Temperatur, unklares Verhalten beim absoluten Nullpunkt

Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL) 1.2 PHÄNOMEN Supraleitung als widerstandsfreier Stromfluss in Supraleitern unterhalb materialbestimmter Sprungtemperaturen TC Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL) günstige Kühlung, keine Leitungsverluste → Entwicklung immer höherer Sprungtemperaturen, Technische Nutzbarkeit Bis dahin: Kühlung mit Helium, Wasserstoff und Stickstoff Faktoren der Supraleitung: Material, Temperatur, Materialfehler, Magnetfelder, Stromdichte

1.2 PHÄNOMEN BCS-Theorie (1957, Nobelpreis 1972) erklärt das quantenmechanische Phänomen (Bardeen, Cooper, Schrieffer) Elektronen bilden „Cooper-Paare“, statt Fermionen nun Bosonen → keine störenden Wechselwirkungen mit dem Atomgitter Dafür notwendig: kleine thermische Energie des Gitters → Sprungtemperatur „Cooper-Paare“ als „Träger des Suprastroms“ Meißner – Ochsenfeld – Effekt: Verdrängen eines Magnetfeldes aus dem Innern eines Supraleiters → Supraleiter als Diamagnet

1.3 SUPRALEITER 2. ART Supraleiter 2. Art: Metalle, Legierungen aber auch Keramiken z.B. YBa2Cu3O7, PbTl2 Deutliche höhere Sprungtemperatur →kühlbar mit flüssigem Stickstoff Phänomen nur teilweise erklärbar 2 kritische Magnetfelder (Hc1, Hc2), Supraleitend → Mischphase → Normalleitend Technische Verwendung durch deutlich höhere kritische Magnetfelder → Beschleunigertechnologie

1.3 SUPRALEITER 2. ART Mischphase: Magnetfelder bilden „Flussschläuche“, welche den supraleitenden Zustand weiterhin ermöglichen, wenn diese an „Pinning-Zentren“ (Störstellen) gehalten werden → Technisch für größere Magnetfelder brauchbar Eine Bewegung der Flussschläuche bedeutet einen Spannungsabfall, Flussschläuche können mit einer bestimmten Grenzkraft an Pinning-Zentren gehalten werden. Große Grenzkraft → Harte Supraleiter → Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL)

1.4 SPRUNGTEMPERATUREN Allgemein: Die Temperatur unter der quantenmechanische Effekte dominieren, z.B. Supraleitung, Supraflüssigkeit Entwicklung von HTSL ermöglicht günstigere Kühlung Fremdelemente setzen die Sprungtemperatur herab → Reinheit Supraleiter 1. Art Tc < 10 K Supraleiter 2. Art haben eine deutlich höhere Sprungtemperatur Aktuell höchste Sprungtemperatur: 138 K von Hg0,8Tl0,2Ba2Ca2Cu3O8

1.5 GRENZEN DURCH STROMDICHTE UND MAGNETFELD Temperatur Tc, Stromdichte jc und Magnetfeld Hc als Grenzen des supraleitenden Zustandes. Ein Magnetfeld - an der Oberfläche oder von außen einwirkend - vernichtet ab einer Feldstärke Hc die Supraleitung, damit bedingt ist die Stromdichte und somit der maximale Strom der im Supraleiter fließen kann, bevor jenes zusammenbricht. Kamerlingh-Onnes Versuch mit Bleidraht eine Supraleiterspule herszustellen, brach bereits bei 0.029 Tesla zusammen. Trotzdem beträgt z.B. die kritische Feldstärke in Niob-Titan bis zu 8.5 T bei 2 K.

2.1 BESCHLEUNIGERTECHNOLOGIE – SUPRALEITENDE BESCHLEUNIGERKAVITÄTEN Hochfrequenzresonatoren Kavitäten dienen zur Energieerhöhung des Teilchenstrahls. Die theoretische Grenze des Beschleunigungsfeldes beträgt 50 MV/m. Vergleich: Kupferresonatoren 70 MV/m Niob-Titan bewährt sich durch hohe maximale Feldstärken von bis zu 8.5 Tesla bei 2 Kelvin. Spröde Supraleiter eignen sich nicht zur Spulenherstellung.

2.1 SUPRALEITENDE BESCHLEUNIGERKAVITÄTEN Für Kavitäten werden Supraleiter 2.Art verwendet – Wärmeentwicklung wird trotz hoher Magnetfelder/Stromdichten unterbunden. Ein weicher Supraleiter wäre ebenfalls brauchbar für Kavitäten, weil er keine starken Hystereseverluste erzeugt. Praktisch besitzt jedoch Niob als Typ-II-Leiter ähnliche Eigenschaften. Einzelne Kammern werden ständig umgepolt, um die Teilchen auf ein höheres Energieniveau zu bringen. Die Energie wird hauptsächlich auf den Teilchenstrahl übertragen. Wärmeentwicklung an den Wänden wird abgeleitet – Anspruch an einem hohen Wärmeleitvermögen

2.2 SUPRALEITENDE MAGNETE ZUR ABLENKUNG Inhomogenität des Dipols stark reduziert werden – 2 Stromschalen und nichtleitende Zwischenstücke erhöhen deutlich die Feldqualität – Messungen ergaben Inhomogenitäten unter 10^-4 Geringere Betriebskosten bei Supraleitenden Magneten: SPS am CERN – Leistung von 52 MW für 315 GeV (Kupferresonatoren) HERA am DESY – Leistung von 6 MW für 920 GeV Das Eisenjoch kann Felder verstärken und vor allem auf den Innenbereich einschränken. Bei HERA beträgt diese Verstärkung 22%. Bei Elektronenkreisbeschleuniger auftretende Synchrotronstrahlung beschränkt die maximale Energie – normale Magneten reichen vollkommen aus.

2.3 LARGE HADRON COLLIDER - LHC Die LHC-Magneten besitzen ein gemeinsames Eisenjoch – innerhalb dessen 2 entgegengesetze Flüsse entlangführen. Normalleitende Magneten eignen sich nicht für Energien im TeV-Bereich. Das LHC strebt Energien von 14 TeV an. Durch die Supraleitenden Magnete besitzt der LEP-Tunnel einen Umfang von 27km – sonst 120km.

2.4 KREISBESCHLEUNIGER Damit Teilchen eine Kreisbahn durchlaufen, müssen sich Lorentzkraft FL und Zentripetalkraft Fz entsprechen. Setzt man die Gleichungen gleich, so lässt sich der Radius r der Kreisbahn in Abhänigkeit des Magnetfeldes B definieren Vorteile des Kreisbeschleunigers: Teilchen können die Beschleunigungs-strecke mehrfach durchlaufen Nachteil: Synchrotronstrahlung

2.5 RUTHERFORD-KABEL FÜR SUPRALEITUNG 20 bis 30 verdrillte Drähte bilden ein Rutherford-Kabel. Bestandteil: Niob-Titan umgeben von Kupfer. Strom wird anfangs induziert – bipolare Magnetisierungsströme werden hervorgerufen, diese sind durch die Grenzen des supraleitenden Niob-Titan beschränkt. Feldstörungen und Hysterese sollten somit so gut wie möglich unterbunden werden.

2.6 QUENCH Wenn ein Supraleiter in den normalleitenden Zustand übergeht (Temperaturschwankungen, Pinning-Zentren geben Flussschläuche frei, Ausfall der Kühlung, Strominduktion im (Kupfer-)Isolator durch Laden der supraleitenden Spule, Überschreiten des kritischen Magnetfeldes) spricht man von Quench. Folgen - Domino-Effekt: Normalleitender Zustand bedeutet Widerstand, also auch Wärmeentwicklung, welche wiederrum in kürztester Zeit ein Quench im gesamten Supraleiter hervorruft, dabei wird die gesamte Energie des Supraleiters in Wärme umgewandelt, kann zur Zerstörung des Supraleiters führen. Ein Quench lässt sich durch eine Heliumdurchlässige Isolation weitgehend unterbinden.

ZUSAMMENFASSUNG Supraleitung als quantenmechanischer Effekt, der einen widerstandslosen Stromfluss ermöglicht. Grenzen der Supraleitung schränken die technische Verwendung ein (Tc, Hc, jc). Unterschiedliche Ansprüche an Supraleitende Materialien, Supraleiter haben Vor- und Nachteile. Ziel: Optimierung der Vorteile, Reduzierung der Nachteile bzw Supraleiter entwickeln die den Ansprüchen der Forschung genügen. Beschleuniger-Technologien ausschlaggebend für Fortschritte in der Teilchenphysik (LHC, ILC) → Zukunft vielversprechend Verwendung bei Linearbeschleunigern, Ringbeschleunigern, als Resonator und Magnet zur Fokussierung

QUELLENVERZEICHNIS M. Pekeler, P.Schmüser „Supraleitung in Teilchenbeschleunigern“, Artikel im Physik Journal 3/2006 Michael Kathke „Supraleitung – Eine Einführung“, 7.Juni 1999 Wikipedia, u.a. Stichworte wie „Supraleiter“ http://www.americanmagnetics.com/tutorial/quench.jpg