Kurzfassung
Im Rahmen dieser Dissertation wurde am Deutschen Elektronensynchrotron DESY eine
Apperatur zur Messung der äußeren Oberflächentemperatur eines einzelligen,
mit suprafluidem Helium gekühlten,
supraleitenden 1.3-GHz-Resonators aufgebaut. Das System besteht aus 768
Thermometern, die gleichmäßig über die Oberfläche verteilt angeordnet sind.
Die Auslese aller Thermometer kann in einer Zeit t < 40 ms geschehen. Das
Auflösungsvermögen beträgt 2 mK.
In der Praxis hat sich die Apperatur als sehr leistungsstark erwiesen. Alle
Veränderungen in der Erregungskurve Q(E) des Resonators (Güte als Funktion
der elektrischen Feldstärke) konnten durch Modifikationen der
Temperaturkarten erklärt werden.
Lokal erhöhter Oberflächenwiderstand, Feldemission und Glühemission sind
die Verlustmechanismen, durch die heutige Resonatoren in ihrer Feldstärke
begrenzt werden. Die Abhängigkeit der Erwärmung der Oberfläche von der
elektrischen Feldstärke wurde studiert und mit
Modellrechnungen verglichen. Dadurch war es möglich, die
charakteristischen Parameter der Feld- und Glühemitter sowie den Betrag des
lokal erhöhten Oberflächenwiderstandes zu ermitteln.
Die Ursache von Konditionierungsereignissen (sprunghafte Änderung des
Q(E)-Verhaltens) konnte durch Verschwinden oder Verändern von Emittern
erklärt werden. Als Auswirkung der Konditionierungsereignisse wurde oft eine
Abnahme der Güte beobachtet, deren Ursache durch Kontamination
der Oberfläche mit überresten der Emitter erklärt werden konnte. Die
Konditionierung im Dauerstrichbetrieb wurde mit der Konditionierung im
HPP-Betrieb (high power processing) verglichen. Es war möglich, die Entfernung
von Emittern mit einem typischen Verlauf der transmittierten Leistung im
Pulsbetrieb zu identifizieren.
Es wurden auch zeitlich veränderliche Temperatursignale beobachtet und das
Verhalten des Resonators im thermischen Zusammenbruch studiert. Befand sich
der Resonator im gepulsten Betrieb längere Zeit im thermischen Zusammenbruch,
so konnte eine Zunahme der Güte (bei vorheriger Kontamination der Oberfläche)
beobachtet werden. Als Grund wurde die Umverlagerung der Überreste
konditionierter Emitter von der warmen Resonatorwand zu anderen kalten Teilen des Vakuumsystems
gefunden.
Eine Zusammenfassung der Tests an neunzelligen Resonatoren für den am DESY im
Aufbau befindlichen TTF-Linearbeschleuniger schließt die Arbeit ab.
Within the scope of this thesis a temperature mapping system was developed, capable of measuring the temperature distribution on the outer surface of a single cell 1.3 Ghz superconducting cavity, immersed in superfluid helium. The system consists of 768 thermometers covering the surface almost equally. A total readout of all thermometers can be achieved in a time t < 40 ms. The resolution of the system is in the order of 2 mK. The temperature mapping system has proven to be an excellent diagnostic tool. Any significant change in the excitation function Q(E) of the cavity (quality factor as function of accelerating gradient) could be associated with a modification in the temperature map. Locally enhanced surface resistance, field emission and thermionic emission are the main loss mechanisms which are limiting the maximum gradient in present-day cavities. The surface heating caused by these loss mechanisms was studied as a function of the electric field and compared with model calculations. As a result, it was possible to obtain the characteristic parameters of field and thermionic emitters and also the magnitude of the enhanced surface resistance. Processing events, that is erratic change of the Q(E) excitation curve, were found to be associated with the destruction or modification of emitters. Often a degradation of the quality factor Q along with a processing event occured. The reason is surface contamination by material evaporated from the processed emitter. The removal of emitters by high power processing (HPP) could be related to a typical decay of the transmitted power signal. It was possible to observe transient temperature signals and to study the quench characteristics of the cavity. Sometimes a recovering of the quality factor (in case of prior surface contamination) was achieved via HPP by driving the resonator into the thermal breakdown for a long time. This is probably due to a transfer of the contaminants from the warmer cavity wall to the cold parts of the cavity vacuum system. The test results on nine-cell cavities of the TTF-linac under construction at DESY are summarized.