Frühjahrsputz für Supraleiter

Wissenschaftler am Oak Ridge National Laboratory (ORNL) entwickelten eine in situ Plasma­reinigung für die Beschleuniger­strecke der Spallations­neutronen­quelle (SNS). Das neue zeit- und kosten­sparende Verfahren erhöht die Neutro­nen­­aus­beute und die verbessert die Datenlage der an der Einrichtung durch­ge­führten Ex­pe­ri­mente. „Die Plasmareinigung ist zwar in der Elektrostatik wohlbekannt“, sagt Kevin Jones, Direktor der Beschleuniger­abteilung am ORNL, „aber um sie erstmalig auch in supraleitenden Hohlräumen einsetzen zu können, waren schon eine ganze eine Reihe von Tricks erforderlich.“

Der Linearbeschleuniger am SNS besteht aus über zwanzig Kryo­modulen – große, fassartige Kapseln, in denen ein Protonen­strahl fokussiert und beschleunigt wird. In jedem dieser Module befinden sich drei bis vier Hohlraum­strecken aus Niob, die ähnlich einem Akkordeon geformt sind und – umgeben von flüssigem Helium – in ihrem Innern die zum Betrieb des Beschleunigers erforderlichen tiefen Temperaturen aufrechterhalten.

Jones erklärt, dass sich im Laufe der Jahre Spuren von Kohlen­wasser­stoff­verbindungen in den Hohl­räumen der Beschleuniger­strecke ansammeln. Dadurch wird es schwieriger die zur Protonen­beschleunigung eingesetzten starken elektrischen Felder aufrecht zu erhalten, und der Proton­strahl verliert an Energie. Bisher erforderten die Verun­reinigungen die Still­legung des Beschleunigers. Die Reinigung erfolgte dann nass­chemisch nach Zer­legung des Strahl­rohrs in Einzel­teile, die anschließend wieder zusammengesetzt werden mussten – eine extrem kosten- und zeit­intensive Prozedur.

Marc Doleans, Wissenschaftler am ORNL, und der Postdoc Puneet Tyagi fanden eine effizientere Reinigungs­methode. Gemeinsam mit Technikern des SNS supraleitenden Linac Systems untersuchten sie zunächst an einzelnen Hohlräumen bei Raum­temperatur verschiedene Alternativen zur Reinigung der Oberflächen. Die langwierigen, mit oberflächen­physikalischen Wissen gestalteten Testreihen führten schließlich zu einer Erprobung der neuen Methode an einem über­schüssigen nicht im Betrieb stehenden Kryomodul.

„Im Wesentlichen verwendetet das Team heiße Plasmen, um die an der Grenz­schicht zum Niob innerhalb der Hohl­räume abgelagerten Kohlen­wasserstoff­rückstände zu verbrennen“, erläutert Jones. „Dazu wird ein Inertgas mit wenigen Prozent Sauerstoff versetzt. Nachdem das Sauerstoff­plasma mit den Schmutz­molekülen an den Innen­wänden reagiert hat, können die gas­förmigen Substanzen denn einfach abgepumpt werden.“

Untersuchungen ergaben, dass sich die Leistungsfähigkeit des so gereinigten Kryomoduls signifikant gesteigert hatte, so dass das neue Verfahren schließlich auch in situ am Strahlrohr des Beschleunigers erprobt werden konnte.
Wie erwartet war die neue Reinigungs­prozedur ein voller Erfolg. Innerhalb von drei Wochen konnten die gesamten, sich sonst über einen Zeit­raum von sechs bis acht Monaten erstreckenden Reinigungs­arbeiten abgeschlossen werden. Darüber hinaus konnten die Protonen über die Beschleunigungs­strecke 11 MeV mehr Energie aufnehmen und das mit der neuen Methode gereinigte Strahlrohr mit 949 MeV verlassen.

Nach zwei weiteren Verbesserungen läuft der Beschleuniger nun mit einer Proton­enenergie von 957 MeV – einem vorher noch nie erzielten Wert. „Wenn wir nun noch fünf weitere Kryomodule auf diese Art reinigen, werden wir locker Protonenenergien von 1000 MeV erzielen können“, freut sich Jones. Mit der Erhöhung der Protonenergie geht auch eine Erhöhung der Neutronen­ausbeute einher. Ein Effekt, des allen Wissen­schaftlern zugutekommt, die das SNS zur Durch­führung ihrer Experi­mente aufsuchen.

Die zuletzt in Applied Surface Science und NIM A veröffentliche Arbeit findet bereits große Beachtung. Das Team um Doleans arbeitet bereits mit Wissenschaftlern und Technikern anderer supraleitender Beschleunigungs­anlagen zusammen.

ORNL / LK