Kurzfassung
Supraleitende Hochfrequenz-Resonatoren aus Niob sind die Grundlage für den /newline Europäischen XFEL und den International Linear Collider. Um die Vorteile des Betriebs von diesen supraleitenden Resonatoren zu nutzen muss die innere Oberfläche hohen Ansprüche erfüllen. Die Oberflächenrauheit und Reinheit dieser Resonatoren hat sich in den vergangenen Jahrzenten deutlich verbessert, und mit ihnen die maximal erreichbare Beschleunigungsspannung. Dennoch treten Limitationen der Beschleunigungsspannung auf, welche nicht durch lokale geometrische Defekte oder Unreinheiten erklärt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist ein besseres Verständnis dieser Limitationen in defektfreien Resonatoren aufgrund von globaler anstatt lokaler Oberflächeneigenschaften.
Speziell für diesen Zweck durchliefen mehr als 30 Resonatoren Oberflächenbehandlungen, Hochfrequenztests und optischen Inspektionen während der XFEL Resonatorproduktion und des ILC-HiGrade Forschungsprogramm. Es wurde ein Algorithmus entwickelt, welcher eine automatische Oberflächenklassifizierung ermöglicht, basierend auf einem Roboter für optische Inspektionen. Dieser Algorithmus liefert einen Satz von Variablen, welche die innere Resonatoroberfläche beschreibt. Diese optischen Oberflächeneigenschaften liefern ein Bezugssystem für die Qualitätssicherung der Herstellungsprozeduren. Zusätzlich ergeben sich vielversprechende Ergebnisse für ein besseres Verständnis der beobachteten Limitationen in defektfreien Resonatoren.
Superconducting niobium radio-frequency cavities are fundamental for the European XFEL and the International Linear Collider. To use the operational advantages of superconducting cavities, the inner surface has to fulfill quite demanding requirements. The surface roughness and cleanliness improved over the last decades and with them, the achieved maximal accelerating field. Still, limitations of the maximal achieved accelerating field are observed, which are not explained by localized geometrical defects or impurities. The scope of this thesis is a better understanding of these limitations in defect free cavities based on global, rather than local, surface properties. For this goal, more than 30 cavities underwent subsequent surface treatments, cold RF tests and optical inspections within the ILC-HiGrade research program and the XFEL cavity production. An algorithm was developed which allows an automated surface characterization based on an optical inspection robot. This algorithm delivers a set of optical surface properties, which describes the inner cavity surface. These optical surface properties deliver a framework for a quality assurance of the fabrication procedures. Furthermore, they shows promising results for a better understanding of the observed limitations in defect free cavities.