Kurzfassung
Supraleitende Hochfrequenz-Resonatoren aus Niob sind Bestandteil vieler Teilchenbeschleuniger. Ihr größter Vorteil ist die geringe Verlustleistung und die daraus resultierende Möglichkeit von langen Pulsen und einer hohen relativen Einschaltdauer (dutycycle) bis hin zu kontinuierlichem Betrieb. Der European X-Ray Free-Electron Laser (XFEL) und der International Linear Collider (ILC) basieren auf dieser Technologie. In manchen Fällen erreichen die Resonatoren elektrische Beschleunigungsspannungen
nahe dem theoretischen Wert für Niob. Trotzdem sind die meisten Resonatoren bei niedrigeren Feldern limitiert und eine Massenproduktion für große Beschleunigerprojekte leidet unter der starken Streuung des erreichbaren Gradienten je Resonator. Die wichtigsten Begrenzungen sind Feldemission und der Zusammenbruch der Supraleitung (Quench). Während Feldemission üblicherweise von der allgemeinen Sauberkeit des Resonators abhängt, wird der Quench eher mit lokalen Defekten in Verbindung gebracht. Zur Untersuchung von solchen lokalen Defekten wurde die optische Inspektion der inneren Oberfläche der Resonatoren mit sehr hoher Auflösung, Genauigkeit und spezieller Beleuchtung bei DESY eingeführt und auf mehr als 30 Resonatoren angewendet. Auffallende Objekte und Eigenschaften der Oberfläche aus diesen Inspektionen wurden katalogisiert und hinsichtlich ihres möglichen Einflusses auf die supraleitenden Hochfrequenzeigenschaften des Resonators bewertet. Mehrere Defekte, die als Quench-Ort bestätigt waren, wurden aus den Resonatoren herausgeschnitten und analysiert. Sie konnten wahrscheinlichen Ursachen im Produktionsprozess zugeordnet werden.
Zur optischen Inspektion einer größeren Anzahl von Resonatoren wurde das neue, automatisierte Instrument OBACHT entwickelt. OBACHT zeichnet sich aus durch den minimalen erforderlichen Eingriff eines Operators, Wiederholgenauigkeit, Robustheit und Flexibilität. Dadurch kann es sowohl im Labor als auch in einer Produktionsumgebung eingesetzt werden.
Zur Vereinfachung des Vergleiches der Ergebnisse aus der weltweiten Forschung an Resonatoren für den ILC wurde die 'ILC global yield database' etabliert. Die einheitliche Definition der Produktionsausbeute und der Auswahlkriterien für die Resonatoren haben die Datenbank zu einem nützlichen Werkzeug zur Verfolgung der Fortschritte des ILC R&D Programms gemacht.
Superconducting radio-frequency resonators made from niobium are an integral part of many accelerator projects. Their main advantage are the low ohmic losses resulting in the possibility for a long pulse structure and high duty cycles up to continous wave (cw) operation. The European X-Ray Free-Electron Laser (XFEL) and the International Linear Collider (ILC) are based on this technology. In some cases the resonators reach acceler- ating electric fields close to the theoretical limit of bulk niobium. Yet most resonators are limited at lower fields and mass production for large scale accelerator projects suffers from the spread in the achievable gradient per resonator. The main limitations are field emission and the breakdown of superconductivity (quench). While field emission is mostly attributed to the overall surface cleanliness of the resonator, quench is usually associated with local defects. Optical inspection of the inner surface of the resonators with unprecedented resolution, accuracy and a special illumination has been established at DESY and used to study such local surface defects. More than 30 resonators have been inspected. Distinctive features from these inspections have been catalogued and assessed for their potential risk for the performance of the resonator. Several confirmed quenching defects could be extracted for further analysis and could be traced back to likely origins in the production process. A new, automated set-up for optical inspection of large series of resonators, named OBACHT, has been developed and successfully commissioned. Its design includes the minimal need for operator interference, reproducibility, robustness and versatility, in order to fit the requirements for application both in a laboratory and in a production environment. To facilitate the comparison of the results obtained during the global R&D effort on resonators for the ILC, the 'ILC global yield database' has been established. The yield and selection rules for the resonators have been defined and the ILC yield database has served as a tool to monitor the progress of the ILC R&D program.