Impact of cooldown conditions on trapped flux in superconducting niobium

Abstract

Eine zentrale Technologie moderner Teilchenbeschleuniger sind supraleitende Hochfrequenzkavitäten, deren Leistungsfähigkeit sich in letzten Jahren so sehr verbessert hat, dass zusätzliche Verluste durch eingefrorenen magnetischen Fluss diese signifikant beeinträchtigt. Dies ist besonders relevant für Beschleuniger, die im Dauerstrichbetrieb arbeiten, da die Verluste in den Kavitäten den Betrieb zu teuer machen würden. Aus diesem Grund gibt es bereits viele Experimente, die erforschen wie eingefrorener Fluss reduziert werden kann. Es wird untersucht wie unterschiedliche Materialien und deren Behandlung eingefrorenen Fluss beeinflussen und wie die Abkühlbedingungen während des Phasenübergangs von der normal leitenden- zur supraleitenden Phase sich auf diesen auswirken. Diese Experimente nutzen oft Kavitäten als Testobjekte, was es aufwendig und teuer macht unterschiedliche Materialien und Behandlungsmethoden zu untersuchen. Außerdem sind Messungen an Kavitäten sehr Zeitintensiv, sodass oft nur wenige Datenpunkte aufgenommen werden können. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuer experimenteller Aufbau entwickelt, der flache rechteckige Proben verwendet um eingefrorenen Fluss zu untersuchen. Der Gebrauch der einfacheren Proben hat den Vorteil, dass unterschiedliche Materialien und Behandlungen einfacher getestet werden können. Auch vereinfacht die simplere Geometrie die Analyse geometrischer Effekte. Neben der einfacheren Probenvorbereitung ermöglicht es der neue Aufbau etwa 300 thermische Zyklen am Tag durchzuführen, was etwa zwei Größenordnungen mehr entspricht als bei Kavitäten. Der Aufbau ermöglicht es Abkühlparameter wie den Temperaturgradienten über die Probe, die Abkühlgeschwindigkeit und das externe Magnetfeld unabhängig von einander zu variieren. Dies ermöglicht die systematische Untersuchung des Einflusses jedes Parameters auf eingefrorenen Fluss. Messungen an verschiedenen Niobproben bestätigen Effekte, die auch in anderen Experimenten beobachtet wurden. So wurde zum Beispiel weniger eingefrorener Fluss gemessen je höher der Temperaturgradient über die Probe während des Abkühlens ist und der Betrag des eingefrorenen Flusses steigt, unter gewissen Umständen, linear mit dem Betrag des externen Magnetfeldes. Jedoch haben die Möglichkeit viele Punkte aufzunehmen und der relativ große Parameterraum auch unerwartete Effekte offenbart: Für Niob, bestehend aus nur wenigen Einzelkristallen, das unter einem Temperaturgradienten abgekühlt wird, wird nur magnetischer Fluss eingefroren wenn das externe Feld einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, der vom Temperaturgradienten abhängt. Außerdem wurde beobachtet, dass bei sehr schnellen Abkühlvorgängen sehr viel magnetischer Fluss eingefroren wird. Der Betrag ist dann fast unabhängig vom Temperaturgradienten. Neben dieser neu entdeckten Effekte stimmt die beobachtete Abhängigkeit des eingefrorenen Flusses vom Temperaturgradienten während des Abkühlens nicht mit den Erwartungen eines existierenden Models überein. Daher wurde ein neues phänomenologisches Model in Zusammenarbeit mit Prof. T. Kubo entwickelt.

Superconducting radio frequency cavities are a key technology in modern accelerators, and, over the past years, their performance improved such that additional losses from trapped magnetic flux are a limiting factor in their performance. This is especially important for accelerators operating in continuous wave mode where high losses in the cavity make operation too energy consuming. For this reason there are many experiments investigating how trapped flux can be reduced. It is investigated how different materials and their treatments influence trapped flux, and how it is affected by cooldown parameters during the transition from the normal to superconducting state. These experiments are often done using cavities as samples. This makes changing material parameters expensive and time consuming. Additionally, the tests themselves are very time consuming so that the number of obtainable data points are often limited. Within the scope of this thesis a new experimental setup is designed which uses flat, rectangular samples to investigate trapped flux. Using these samples has the advantage that different materials and treatments can be tested more easily. Additionally, geometric effects during transition are easier to model, and understand. Besides the easier sample preparation the new setup allows for more cooldowns in a shorter period of time so that around 300 thermal cycles can be performed in one day. This is roughly two orders of magnitude more than what is achieved with cavities. With the new setup cooldown parameters like the temperature gradient across the sample, the cooldown rate, and the external magnetic field can be independently controlled so systematic investigations how each parameter influences trapped flux can be performed. Measurements conducted with different niobium samples confirm effects reported from other experiments. For example a decrease in trapped flux for increasing temperature gradient is observed as well as a linear increase of trapped flux with external magnetic field under certain conditions. But the ability to record more data points and a relative large parameter space also revealed unexpected results: For large grain niobium it is observed that when a sample is cooled down with a temperature gradient across the sample flux gets only trapped when the external field is larger than a certain threshold field which depends on the temperature gradient. Additionally, it is noticed that very fast cooldowns lead to high trapped flux magnitudes almost independent of the temperature gradient. Besides these newly discovered effects the measured dependence of trapped flux on temperature gradient during cooldown does not agree with an existing model. For this reason a new phenomenological model is developed in cooperation with Prof. T. Kubo.