Стр. 2 - Основные проблемы термостатирования сверхпроводящих ниобиевых резонаторов линейных ускорителей элементарных частиц

механических напряжений и кристаллической структуры ниобия на

его теплопроводность и теплоемкость.

Основные факторы, влияющие на температурное поле резона-

тора.

Для увеличения добротности резонатора, необходимо обеспе-

чить равномерное стабильное температурное поле во всем материале

резонатора. Повышение температуры поверхностного слоя экспонен-

циально увеличивает поверхностное сопротивление сверхпроводника,

так называемый эффект тепловой обратной связи, поэтому необходимо

максимально эффективно отводить тепло от внутреннего поверхност-

ного слоя сверхпроводящего резонатора. Низкое значение коэффици-

ента теплопроводности ниобия в СВЧ резонаторе способно привести

к равномерному нагреву всей поверхности резонатора до температу-

ры перехода в нормальное состояние. Такой переход в нормальное

состояние не вызван локальными эффектами, поэтому в меньшей ме-

ре зависит от качества внутренней поверхности резонатора, которая

определяет другой ограничивающий фактор — тепловой пробой. Эта

глобальная тепловая неустойчивость ограничивает максимально воз-

можные магнитные поля в резонаторе и, следовательно, ускоряющие

напряжения. Опубликованные результаты [1] термомагнитных симуля-

ций, проведенных для бездефектных резонаторов показали, что увели-

чение рабочей температуры резонатора на несколько десятых градуса

может быть достаточно для того, чтобы значительно ограничить мак-

симально допустимые магнитные поля в резонаторе.

Микро- и макроструктура материала резонатора.

Для обеспече-

ния высокого уровня добротности СВЧ резонатора температура стенки

должна соответствовать максимальному значению теплопроводности.

Теплопроводность сверхпроводящего ниобия при

4

K достаточно хо-

рошо исследована и строго коррелирована с относительным остаточ-

ным сопротивлением. Для температур ниже

3

K эта корреляция

не соблюдается из-за возникновения фононного пика теплопровод-

ности. Фононная составляющая теплопроводности сильно зависит от

микроструктуры материала. Вместе с тем наличие каверн и полостей

в поверхностном слое, т.е. нарушение макроструктуры или сплош-

ности материала, значительно увеличивает локальное поверхностное

сопротивление, что приводит к местному перегреву, резкому сниже-

нию добротности и тепловому пробою.

В области температур ниже 3 K фононная проводимость круп-

нокристаллических образцов ниобия определяется, в первую оче-

редь, длиной свободного пробега фононов. При таких температу-

рах фонон-электронное рассеивание становится незначительным, так

как большая часть электронов конденсируется в куперовские па-

ры, поэтому длина свободного пробега фононов зависит от фонон-

177