Development of a Test Resonator for Investigations of the RF Properties of Superconducting Materials

Abstract

Pushing the limits of the accelerating field and quality factor of superconducting radiofrequency (SRF) cavities beyond pure niobium requires the implementation of specific inner surface treatments and the development of alternative materials, which are yet to be studied and optimized. One of the fundamental challenges in investigating alternative materials is that only samples or cavity cut-outs can be fully characterized from a material science point of view. In contrast, complete cavities enable the SRF characterization of the inner surface, while samples can usually only be analysed using surface characterization, mechanical testing, and direct current methods. To overcome this problem, a test resonator for samples called “Quadrupole Resonator” (QPR) was designed and operated at Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN), and another one was developed later at Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB). In a collaborative effort between Universität Hamburg (UHH) and Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), an improved QPR has been designed, successfully commissioned, and is currently being operated at DESY. This QPR allows for the full RF characterization of samples at frequencies of 0.42 GHz, 0.86 GHz, and 1.3 GHz, within a temperature range of 1.8-20 K, and at designed applied magnetic fields up to 120 mT, as will be demonstrated.

This work presents the UHH QPR design, which incorporated improvements motivated by mechanical and RF studies and experimental experience. The results from both room temperature and cryogenic commissioning are discussed as well. More importantly, the results for the RF tests conducted on a Nb sample after undergoing a series of chemical surface treatments are detailed. The RF characterization data include surface resistance as a function of temperature and applied magnetic field and frequency and thermal conductivity as a function of temperature of the sample. These results show an overall good agreement with theoretical models describing superconductivity. Furthermore, material parameters, such as London penetration depth, mean free path, superconducting gap and Dynes parameter, derived from the experimental data in general align closely with values reported in literature. Finally, an outlook of the further improvements and usage of the QPR is presented.

Die Optimierung des Grenzen des Beschleunigungsfeldes und des Gütefaktors von supraleitenden Hochfrequenz (SRF) Hohlraumresonatoren über reines Niob hinaus erfordert die Umsetzung spezifischer Oberflächenbehandlungen und die Entwicklung alternativer Materialien, die noch untersucht und optimiert werden müssen. Eine der grundlegenden Herausforderungen bei der Untersuchung alternativer Materialien besteht darin, dass nur Proben oder Oberflächenausschnitte aus materialwissenschaftlicher Sicht vollständig charakterisiert werden können. Im Gegensatz dazu ermöglichen vollständige Hohlraumresonatoren die SRF-Charakterisierung der inneren Oberfläche, während Proben in der Regel nur durch Oberflächencharakterisierung, mechanischen Tests und Gleichstrom-Methoden analysiert werden können. Um dieses Problem zu überwinden, wurde ein Testresonator für Proben namens ``Quadrupolresonator” (QPR) entwickelt und am Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN) betrieben, und später wurde ein weiterer am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) entwickelt. In einer Zusammenarbeit zwischen der Universität Hamburg (UHH) und dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) wurde ein verbesserter QPR entworfen, erfolgreich in Betrieb genommen und derzeit bei DESY betrieben. Dieser QPR ermöglicht die vollständige HF-Charakterisierung von Proben bei Frequenzen von 0,42 GHz, 0,86 GHz und 1,3 GHz, in einem Temperaturbereich von 1,8-20 K und bei geplanten angelegten Magnetfeldern von bis zu 120 mT.

Diese Arbeit präsentiert das UHH-QPR-Design, das Verbesserungen aufgrund von mechanischen und HF-Studien sowie experimentellen Erfahrungen beinhaltet. Die Ergebnisse sowohl der Raumtemperatur- als auch der kryogenen Inbetriebnahme werden ebenfalls diskutiert. Zu dem werden die Ergebnisse der HF-Tests an einer Nb-Probe nach einer Reihe von chemischen Oberflächenbehandlungen diskutiert. Die HF-Charakterisierungsdaten umfassen den Oberflächenwiderstand als Funktion von Temperatur und angelegtem Magnetfeld, sowie jeweils die Frequenz und die Wärmeleitfähigkeit als Funktion der Temperatur der Probe. Diese Ergebnisse zeigen insgesamt eine gute Übereinstimmung mit theoretischen Modellen zur Beschreibung der Supraleitfähigkeit. Darüber hinaus stimmen die aus den experimentellen Daten abgeleiteten Materialparameter wie London-Eindringtiefe, mittlere freie Weglänge, supraleitende Lücke und Dynes-Parameter im Allgemeinen eng mit in der Literatur berichteten Werten überein. Abschließend wird ein Ausblick auf weitere Verbesserungen und die Verwendung des QPR präsentiert.