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Investigations of the surface resistance of superconducting materials

Junginger, Tobias

German Title: Untersuchungen des Oberflächenwiderstands von supraleitenden Materialien

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Abstract

In particle accelerators superconducting RF cavities are widely used to achieve high accelerating gradients and low losses. Power consumption is proportional to the surface resistance RS which depends on a number of external parameters, including frequency, temperature, magnetic and electric field. Presently, there is no widely accepted model describing the increase of Rs with applied field. In the frame of this project the 400 MHz Quadrupole Resonator has been extended to 800 and 1200 MHz to study surface resistance and intrinsic critical RF magnetic field of superconducting samples over a wide parameter range, establishing it as a world-wide unique test facility for superconducting materials. Different samples were studied and it was shown that Rs is mainly caused by the RF electric field in the case of strongly oxidized surfaces. This can be explained by interface tunnel exchange of electrons between the superconductor and localized states in adjacent oxides. For well prepared surfaces, however, the majority of the dissipation is caused by the magnetic field and Rs factorizes into field and temperature dependent parts. These different loss mechanisms were correlated to surface topography of the samples and distribution of oxides by using ultrasonic force microscopy and X-ray photon spectroscopy.

Translation of abstract (German)

In vielen Teilchenbeschleunigern werden supraleitende Hohlraumresonatoren verwendet, um hohe Beschleunigungsgradienten bei niedrigem Enegieverbrauch zu erzielen. Die Energieaufnahme eines Hohlraumresonators ist proportional zu seinem Oberflächenwiderstand Rs, welcher von den äusseren Parametern: Frequenz, Temperatur, magnetischem und elektrischem Feld abhängt. Insbesondere existiert kein allgemein akzeptiertes Model, welches die Erhöhung von Rs mit der Feldstärke beschreibt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der 400 MHz Quadrupole Resonator für Oberflächenwiderstands und kritische HF-Feldmesssungen bei 800 und 1200 MHz erweitert, was ihn zu einer weltweit einzigartigen Messapparatur für supraleitende Materialien macht. Verschiedene Proben wurden untersucht und dabei zeigte sich, dass Rs im Falle starker Oxidation hauptsächlich durch das elektrische HF-Feld verursacht wird. Dies kann durch Austausch von Elektronen zwischen dem Supraleiter und lokalisierten Zuständen in angrenzenden Oxiden erklärt werden. Falls die Oberfläche jedoch gut präpariert ist, wird Rs hauptsächlich durch das HF-Magnetfeld verursacht und faktorisiert in temperatur und feldabhängige Anteile. Mithilfe von Ultraschall-Kraftmikroskopie und Röntgenphotoelektronenspektroskopie konnten die unterschiedlichen Verlustmechanismen mit der Topographie und der Verteilung der Oxide auf den Oberflächen in Zusammenhang gebracht werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Welsch, Prof. Dr. Carsten P.
Date of thesis defense: 25. July 2012
Date Deposited: 17. Sep 2012 08:16
Date: 2012
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Supraleiter, Supraleiter 2. Art, Niob, Oberflächenwiderstand, Hohlraumresonator, Kritisches Feld, Elektromagnetischer Beschleuniger
Uncontrolled Keywords: Superconductors , Niobium , surface impedance , critical RF field of superconductors
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