Der European XFEL und der International Linear Collider basieren auf supraleitenden Hochfrequenz-Beschleunigungsstrukturen aus Niob, die im Betrieb nur sehr geringe Verlustleistungen aufweisen. Diese Kavitäten erlauben eine hohe relative Einschaltdauer und eine große Öffnung für den Teilchenstrahl zur Vermeidung von an den Wänden induzierten Feldern bei Beschleunigern mit hohem Strahlstrom. Um zu den im Idealfall erreichbaren Parametern der supraleitenden Strukturen vorzustoßen, ist es erforderlich die derzeitigen Begrenzungen wie Feldemission, thermischen Zusammenbruch (Quench) und die Güte des Resonators, die Aufschluss über die ohmschen Verluste in Abhängigkeit von der elektrischen Beschleunigungsfeldstärke gibt, zu verstehen. Obwohl die begrenzenden Mechanismen selbst im Großen und Ganzen verstanden sind, sind die Ursachen für den Quench oft unklar.
Um die Quenchpositionen der Beschleunigungsstrukturen zu bestimmen, wurde ein Messaufbau zur Ortung des zweiten Schalls im suprafluiden Helium, der beim Quench entsteht, im Kavitäten-Testfeld bei DESY installiert und Daten bei ca. 30 Beschleunigungsstrukturen genommen. Die Auffälligkeiten der Verteilung der Quenchorte wurden untersucht und es ergab sich, dass die gemessenen Positionen üblicherweise in der Region mit den höchsten magnetischen Oberflächenfeldern waren, jedoch nicht notwendigerweise am Äquator der Zellen.
Zur Untersuchung der Güte in Abhängigkeit von der Beschleunigungsfeldstärke wurden weitere Messdaten von Beschleunigungsstrukturen untersucht. Eine Analyse des Oberflächenwiderstandes von einzelnen Kavitäten ergab, dass ein aktuelles Oberflächenwiderstandsmodell für Niob die Messergebnisse nicht in allen Einzelheiten beschreiben kann, aber die Berücksichtigung eines weiteren Mechanismus zeigte erste vielversprechende Ergebnisse.
The European XFEL and the International Linear Collider are based on superconducting rf cavities made of niobium. Their advantages are low ohmic losses which allow high duty cycles and the possibility to use a large beam aperture which is substantial to prevent wake fields at high current accelerators. To reach the theoretical limits of superconducting cavities, it is required to understand the present performance limitations. These are field emission, thermal breakdown (quench) and the ohmic losses dependent on the accelerating field, which are expressed in the quality factor. As the limiting mechanisms themselves are understood in general, the origin of the quench is often unclear.
To determine the quench locations, a localisation tool for thermal breakdown using the second sound in superfluid helium has been installed at the cavity test facility at DESY and the results for a sample of about 30 cavities have been examined. The features of the distribution of the quench locations have been analysed and it has been found that the quench locations are in the area of the highest surface magnetic field and not necessarily at the equator of the cells.
The data sample has been extended in an attempt to characterise the average behaviour of the quality factor related to the accelerating field. An analysis of the surface resistance of individual cavities shows that a recently developed model for the surface resistance of niobium is not able to describe the measurement in all detail, but the application of an additional mechanism showed promising results.