Neue Horizonte im SRF: jenseits der HL

Innovationen in der supraleitenden Hochfrequenztechnologie (SRF) und ihren Anwendungen sind von grundlegender Bedeutung für den Erfolg des High-Luminosity LHC (HL-LHC)-Projekts und der darauffolgenden Teilchenbeschleuniger der nächsten Generation. Frank Gerigk, Leiter der RF-Gruppe am CERN, bewertet die Fortschritte bei der SRF-Forschungs- und Entwicklungs-Roadmap und die hohen Fertigungs- und Leistungsanforderungen, die sich bereits abzeichnen.

Das Engagement des CERN für supraleitende Hochfrequenztechnologien (SRF) reicht weit zurück – es umfasst mehr als vier Jahrzehnte nachhaltiger Investitionen in Infrastruktur, angewandte Forschung und Entwicklung, Innovationen auf Geräte- und Systemebene sowie internationale Zusammenarbeit mit akademischen und industriellen Partnern. Wenn das jedoch die Schlagzeile ist, wie geht es mit dem SRF-Programm des CERN weiter?

An dieser Stelle ist eine Zusammenfassung der SRF-Erfolge des CERN aufschlussreich, bevor der längerfristige Fahrplan für Forschung, Entwicklung und Innovation dargelegt wird. Zunächst einmal waren SRF-Hohlräume – eine Arbeitspferdetechnologie für Grenzbeschleuniger in der Teilchenphysik, Kernphysik und Materialwissenschaft – maßgeblich daran beteiligt, den Large Electron-Positron (LEP)-Collider des CERN in neue Energieregime zu bringen. Bis Ende der 1990er Jahre wurden im LEP-II insgesamt 288 SRF-Kavitäten installiert, die jeweils aus einem dünnen Film aus supraleitendem Niob bestehen, der auf eine Kupferkavität gesputtert ist. Sie sorgen für einen Beschleunigungsgradienten von bis zu 7 MV/m und ermöglichen es der Maschine, schließlich diese zu erreichen eine Schwerpunktsenergie von 209 GeV (gegenüber 91 GeV für die ursprüngliche LEP-Maschine). Zu Beginn des Jahrtausends war LEP-II die leistungsstärkste SRF-Anlage weltweit.

Spulen wir vor ins Jahr 2010 und zum Aufkommen des HIE-ISOLDE-Projekts, der „hochintensiven und energiereichen“ Modernisierung der radioaktiven Strahlanlage des CERN, die weitere Investitionen in das SRF-Programm freisetzte. Operativ ging es bei HIE-ISOLDE darum, die Energie der Radionuklidstrahlen von ISOLDE durch den Bau eines supraleitenden Nachbeschleunigers von 3 MeV/u auf 10 MeV/u zu steigern – was wiederum die Konstruktion, Verarbeitung und Erprobung von Massen- Niob-SRF-Hohlräume zusammen mit einer verbesserten Beschichtungsleistung für Dünnschicht-Niob-Kupfer-SRF-Hohlräume.

CERN-Ingenieure entwickelten ordnungsgemäß einen vollständigen Prototyp der mit 100 MHz beschichteten Viertelwellenresonatoren für HIE-ISOLDE, bevor sie die Technologie in die Industrie überführten. In der Folge zeigten jedoch einige der ausgelagerten Kavitäten Leistungseinschränkungen, die mit einer Schweißnaht in einem Kavitätenbereich mit hohen Oberflächenströmen zusammenhingen. Um dieses Problem anzugehen, entwickelte das HF-Team des CERN eine innovative Lösung, die sich als entscheidend für die Ausweitung der Leistungsgrenzen von Dünnschicht-SRF-Hohlräumen erwies.

Vereinfacht gesagt wurde der HIE-ISOLDE-Hohlraum so umgestaltet, dass er ohne Schweißnähte aus einem einzigen Stück Kupfer gefertigt werden konnte. Nach der Beschichtung mit Niob und anschließenden Tests im Jahr 2017 lieferte der neu gestaltete Hohlraum beispiellose Oberflächenspitzenfelder von über 60 MV/m und einen Q-Wert von 109 bei 2,3 K. Diese Leistungswerte liegen deutlich über dem Qualifikationsziel von etwa 30 MV /m (Q = 5 × 108) – gab eine klare Richtung für die weitere Forschung und Entwicklung von Dünnschicht-Hohlräumen auf nahtlosen Kupfersubstraten vor, wobei später im Rahmen des HIE-ISOLDE-Upgrades vier Kryomodule (jedes mit fünf SRF-Hohlräumen) installiert wurden. Bezeichnenderweise war dies auch das erste Mal, dass ein „Produktions“-Hohlraum mit Dünnschicht-Niob auf Kupfer vergleichbare Ergebnisse lieferte wie Hohlräume mit massivem Niob, deren Leistung im vergangenen Jahrzehnt aufgrund der gemeinsamen Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen rasche Fortschritte gemacht hatte ausgerichtet auf den International Linear Collider (ILC).

Im Mittelpunkt der SRF-Technologie-Roadmap steht derzeit das HL-LHC-Projekt, ein ehrgeiziges Unterfangen, das darauf abzielt, die integrierte Leuchtkraft um den Faktor 10 über den Designwert des LHC hinaus zu erhöhen und dadurch neue Möglichkeiten für grundlegende Entwicklungen zu eröffnen Physik ab 2030. Sobald der HL-LHC in Betrieb ist, wird er supraleitende „Krabbenhohlräume“ aus massivem Niobium verwenden, um die Bündelkreuzung an den Teilchenwechselwirkungspunkten zu optimieren – wodurch die Leuchtkraft der Proton-Proton-Kollisionen erhöht und „nivelliert“ wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die Teilchenpakete vor der Kollision leicht gedreht werden und sie nach der Interaktion wieder in ihre ursprüngliche Ausrichtung zurückkehren (siehe „Geschaffene Kollisionen“).

Bei ATLAS und CMS werden für jeden Strahl auf jeder Seite der Experimente zwei 400-MHz-Krabbenkavitäten eingesetzt – das heißt, während des Long Shutdown 3 (LS3) ab 2026 werden insgesamt 16 Kavitäten (acht Kryomodule) installiert Da die Strahlrohre für die kollidierenden Strahlen nur 194 mm voneinander entfernt sind, ist ein ultrakompaktes Hohlraumdesign erforderlich, um die erforderliche Kickspannung von 3,4 MV pro Hohlraum zu erzeugen. Eine intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit – unter Einbeziehung eines Netzwerks internationaler Partner und Finanzierungsquellen – führte zu zwei endgültigen Entwürfen, einem für horizontales Krabbeln (RF-Dipol, RFD) und eines für vertikales Krabben (Double Quarter-Wave, DQW). Diese fortschrittlichen Hohlraumformen sind etwa viermal kompakter als die elliptischen LHC-Beschleunigungshohlräume und stellen daher erhebliche Herausforderungen hinsichtlich ihrer Herstellung dar.

Um die geplanten technischen Konzepte zu testen – und damit auch das Krabbeln eines Protonenstrahls zu demonstrieren – führte das HF-Entwicklungsteam des CERN bereits 2018 einen Strahltest von zwei DQW-Hohlräumen im Super Proton Synchrotron (SPS) durch (CERN Courier Mai 2018, S. 18). ). Nach der Konstruktion und Verarbeitung am CERN wurden die Hohlräume anschließend in der SM18-Testanlage (einem speziellen CERN-Standort zur Bewertung supraleitender Magnete und SRF-Hohlräume) zu einem Kryomodul zusammengebaut.

Um die Effizienz der Arbeitsabläufe zu maximieren, verfügt der SPS-Teststand über eine bewegliche Plattform für das Kryomodul, die mit flexiblen Elementen mit dem SPS-Beampipe verbunden ist. Diese Anordnung ermöglicht es, die Hohlräume in den Balken hinein und aus ihm heraus zu bewegen und dadurch die Auswirkungen auf den regulären SPS-Betrieb zu reduzieren. Die Strahltests validierten nicht nur den Krebseffekt auf den zirkulierenden Protonenstrahl, sondern auch die Design- und Technikentscheidungen für diese neuen Kryomodule.

Es ist erwähnenswert, dass die optimierte Prototypenerstellung des SPS DQW-Kryomoduls nur dank der kontinuierlichen Investitionen des CERN in die SRF-Forschung und -Entwicklung und -Expertise möglich war. Auf einer detaillierteren Ebene bedeutet dies ein Portfolio an Kernkompetenzen, das das Formen und Schweißen von Niobblechen umfasst; Niob-Oberflächenchemie mit gepufferter chemischer Bearbeitung und Elektropolieren; Oberflächenreinigung mit Hochdruck-Reinstwasser; Montage von Kavitäten in ISO4-Reinräumen; Vorbereitung und Durchführung von Kälteversuchen bei 2 K; sowie die saubere Montage von Hohlraumsträngen und deren Integration in vollständige Kryomodule mit modernster Ausrichtungspräzision.

Nach der Verifizierung der zugrunde liegenden technischen Konzepte baute CERN ein Netzwerk internationaler Kooperationen für eine erste Lieferung von 10 Kryomodulen für den HL-LHC sowie einem Ersatz-DQW-Modul und einem Ersatz-RFD-Modul auf. Arbeitsteilung ist hier von entscheidender Bedeutung, da der deutsche Hersteller RI Research Instruments die Herstellung und chemische Verarbeitung der DQW-Hohlräume übernimmt. Nach dem Kältetest der blanken Hohlräume am CERN werden sie an RI zurückgeschickt, wo sie mit einem Heliumtank und kalten magnetischen Abschirmungen ausgestattet werden, die vom Daresbury Laboratory im Vereinigten Königreich im Rahmen einer gemeinsamen Anstrengung zwischen CERN und dem britischen Science and Science Center bereitgestellt werden Rat für Technologieeinrichtungen (STFC).

Diese sogenannten „ummantelten“ Hohlräume kehren für eine weitere Runde von Kalttests zum CERN zurück, bevor sie mit HF-Kopplern höherer Ordnung (HOM) ausgestattet werden, die in den CERN-Werkstätten hergestellt werden. Sobald die Leistung der nun „bearbeiteten“ Hohlräume validiert ist, werden sie in Daresbury zu Kryomodulen zusammengebaut, bevor sie zur Validierung und Installation durch Kalttests zum CERN zurückkehren.

Mittlerweile erfolgt die Produktion von RFD-Modulen in Nordamerika im Rahmen der US-amerikanischen HL-LHC Accelerator Upgrade Project (AUP)-Zusammenarbeit. Im Einzelnen: Fermilab hat den italienischen Hersteller Zanon mit der Herstellung blanker Hohlräume beauftragt, wobei das Labor für die chemischen Behandlungen, die kalten magnetischen Abschirmungen, den Heliumbehälter und die HOM-Koppler verantwortlich bleibt. Die Wissenschaftler von Fermilab führen auch die Kältetests für die blanken, ummantelten und abgedeckten Hohlräume durch. Sobald die Hohlräume das gewünschte Leistungsniveau erreicht haben, werden sie zur erneuten Prüfung und zum Zusammenbau zu Kryomodulen an TRIUMF in Kanada geschickt.

Sicherzustellen, dass dieses komplexe gemeinsame Unterfangen auf Kurs bleibt, ist keine leichte Herausforderung. Sie erfordert die Implementierung klar definierter technischer Schnittstellen und einer strengen Leistungsüberwachung, während gleichzeitig die tägliche Projektplanung, der Transport und heikle Logistikprobleme (einschließlich Brexit-bezogener Papierkram) im Auge behalten werden müssen. . Im weiteren Sinne ist anzumerken, dass die Erfahrungen aus der Prototypenerstellung der Krabbenhöhlen und Kryomodule am CERN es dem RF-Team ermöglicht haben, ein strenges Qualitätssicherungssystem zu etablieren, das anschließend an alle unsere Mitarbeiter weitergegeben wurde, um standardisierte Produktionsprozesse, Arbeitsabläufe und Systemintegration sicherzustellen.

Neben den umfassenden Forschungs- und Entwicklungsbemühungen rund um Oberflächenverluste von SRF-Hohlräumen laufen am CERN parallele Arbeitsprogramme zur Steigerung der Effizienz der HF-Stromquellen. Wie im Haupttext erläutert, muss der FCC-ee-Strahl 100 MW vom HF-Stromversorgungssystem empfangen, um die Verluste der Synchrotronstrahlung auszugleichen. Das tatsächlich erforderliche HF-Leistungsbudget erhöht sich daher auf 148 MW (einschließlich 2 MW für die Booster-HF), angesichts der erwarteten FCC-ee-HF-Leistungsschätzungswirkungsgrade von 80 %, 90 % bzw. 95 % für Klystrons, Klystron-Modulatoren und HF-Verteilung.

Heute liegt der Klystron-Wirkungsgrad jedoch bei etwa 55 % (was 215 MW für das FCC-ee-HF-System bedeuten würde). Das Erreichen dieser 80-Prozent-Zielvorgabe fällt in den Zuständigkeitsbereich der RF-Gruppe des CERN und ihrer gezielten Forschungs- und Entwicklungsbemühungen zur Steigerung der RF-Effizienz von Hochleistungsklystrons. Durch die Anwendung moderner Elektronenstrahldynamiktechniken und selbst entwickelter 3D-Simulationscodes (KLYC) konnte das Team bereits greifbare Ergebnisse vorweisen. Letztes Jahr wurde beispielsweise das erste vom CERN entworfene hocheffiziente Klystron von Canon gebaut und erreichte genau den vorhergesagten Wirkungsgrad (53,3 %) für ein gepulstes X-Band-System (CERN Courier September/Oktober 2022, S. 39).

Für FCC-ee wird in Zusammenarbeit mit Industriepartnern außerdem ein fortschrittliches, zweistufiges Multibeam-Klystron für das 400-MHz-System entwickelt. Das Ziel ist ein Wirkungsgrad von 80 % bei deutlich reduziertem Hochspannungsbedarf (60 kV statt 110 kV) und einem deutlich geringeren Platzbedarf (2,5 m Gesamtlänge statt ca. 5,5 m).

Neben der technologischen Innovation bei Klystronen engagiert sich die HF-Gruppe des CERN an mehreren anderen Fronten – sei es die Steigerung der Effizienz festkörperbasierter Verstärker oder die Herstellung einfacher, kosteneffizienter Verstärker auf der Basis induktiver Ausgangsröhren (IOT). Das hauseigene HF-Team investiert außerdem viel Zeit und Ressourcen – von Forschung und Entwicklung über Tests bis hin zur Implementierung –, um Leistungskoppler mit beispielloser Leistungsabgabe an die Hohlräume zu realisieren. neue Abstimmmechanismen für die SRF-Hohlräume; HF-Feedbacksysteme und -Controller; sowie Simulationscodes zur Modellierung der Längsträgerdynamik.

Mit Blick auf die Zukunft ist der nächste Meilenstein für das HL-LHC-Crab-Cavity-Programm die Erprobung des ersten RFD-Moduls im SPS. Derzeit wird dieses Modul im Daresbury Laboratory zusammengebaut und im September 2023 an CERN geliefert. Anschließend wird es in SM18 einem Kältetest unterzogen, bevor es während des technischen Stillstands zum Jahresende 2023/24 im SPS installiert wird.

Während das Crab-Cavity-Programm das HF-Team des CERN bis zum Abschluss von LS3 im Jahr 2028 beschäftigen wird, laufen die Vorbereitungen für die 2030er Jahre und darüber hinaus bereits. Derzeit besteht Konsens darüber, dass der nächste große Collider nach dem LHC eine Leptonenmaschine sein wird, die sich auf Präzisionsmessungen des Higgs-Bosons konzentriert. Im Falle eines kreisförmigen Colliders ist hierfür ein leistungsstarkes HF-System erforderlich, um Kollisionsenergien zu erreichen, die über denen von LEP liegen. Zwei potenzielle Kandidaten sind der Elektron-Positron Future Circular Collider (FCC-ee), der über 1000 SRF-Hohlräume erfordern würde, und ein Myon Collider mit mehr als 3000 SRF-Hohlräumen (für ein 10-TeV-Schwerpunktszenario). Mittlerweile würde ein Linearcollider wie der vorgeschlagene 500-GeV-ILC über 7000 SRF-Hohlräume erfordern.

Unabhängig vom letztendlichen Szenario ist es offensichtlich, dass das RF-System eine erhebliche technologische Herausforderung darstellt, da die meisten Optionen den Einsatz von SRF-Hohlräumen in einer Größenordnung erfordern, die um eine Größenordnung höher ist als die, die bei LEP verwendet werden. Angesichts steigender Strompreise und wachsender Forderungen nach betrieblicher Nachhaltigkeit in der Hochenergiephysik ist CERN verpflichtet, alle Möglichkeiten zu nutzen, um den Stromverbrauch des nächsten großen Colliders zu senken. In diesem Zusammenhang priorisiert die RF-Gruppe des CERN zwei strategische Forschungs- und Entwicklungsziele: die Reduzierung der Oberflächenverluste supraleitender Hohlräume bei gleichzeitiger Beschäftigung mit einer effizienteren RF-Stromerzeugung.

Es ist aufschlussreich, die SRF-Strategie des CERN im Kontext des FCC-ee zu betrachten – und insbesondere die möglichen Auswirkungen reduzierter Hohlraumverluste auf den Stromverbrauch des FCC-ee und wie sich dies auf die SRF-F&E-Prioritäten auswirkt. Das aktuelle FCC-ee-Szenario sieht vier Hauptbetriebsstufen bei steigenden Schwerpunktsenergien vor, die Präzisionsmessungen des Z-Bosons (91 GeV), des W-Bosons (161 GeV), des Higgs-Bosons (250 GeV) und des Top-Quarks ermöglichen (365 GeV). Die hohen Strahlströme, die zur Unterstützung der Z- und W-Physik erforderlich sind, erfordern die Verwendung von Niederfrequenzhohlräumen (400 MHz) zur Steuerung der strahlerregten HOM-Leistung. Dies bedeutet, dass für den Z einzellige 400-MHz-Kavitäten gewählt wurden, die für den W durch zweizellige 400-MHz-Kavitäten ersetzt werden. Gleichzeitig wird der Booster-Beschleuniger mit 800-MHz-Fünfzell-Kavitäten ausgestattet. Die Anzahl der Kryomodule wird dann beim Übergang zu den H- und ttbar-Szenarien schrittweise erhöht.

Prognosen zufolge wird der Gesamtstromverbrauch des FCC-ee ttbar-Szenarios auf 384 MW geschätzt. Innerhalb dieses Budgets werden 148 MW für das HF-Stromversorgungssystem und 47,5 MW für die zugehörigen Kryotechniksysteme benötigt. Die HF-Komponente wird dominiert von den Synchrotronverlusten (100 MW), die kompensiert werden müssen, und der Effizienz des HF-Energiesystems, um diese Leistung zu erzeugen und auf den Strahl zu übertragen. Das kryogene Budget hingegen hängt vom Oberflächenwiderstand der SRF-Hohlräume ab. Die Rechnung ist ganz einfach: Verringern Sie den SRF-Oberflächenwiderstand um den Faktor zwei – und der Stromverbrauch des Kryosystems sinkt um den Faktor zwei (was wiederum die Größe der Kryoanlage um die Hälfte reduzieren würde).

Ist ein solches Ergebnis jedoch realistisch? Das derzeit erklärte Forschungs- und Entwicklungsziel für 400-MHz-FCC-ee-Kavitäten ist eine etwa 30-prozentige Reduzierung der Oberflächenverluste (im Vergleich zu den LHC-Kavitäten) bei gleichzeitiger Verdoppelung des Beschleunigungsgradienten. Es handelt sich um ein ehrgeiziges Ziel, und deshalb nutzen die HF-Ingenieure des CERN die Erkenntnisse aus dem HIE-ISOLDE-Projekt, bei dem der Einsatz nahtloser Hohlraumsubstrate es ermöglichte, die Spitzenfelder im Hohlraum zu erhöhen und gleichzeitig die Oberflächenverluste zu senken.

Bisherige Proof-of-Principle-Tests erforderten nahtlose elliptische Hohlräume, wobei die CERN-Werkstatt in der Lage war, solche Hohlräume aus massiven Kupferstücken herzustellen, während die Vakuumgruppe der Technologieabteilung Pionierarbeit bei einer Methode unter Verwendung von Elektroformung leistete. (Bei letzterem wird Kupfer auf einen Aluminiumdorn abgeschieden, wobei das Aluminium anschließend aufgelöst wird, sodass nur die abgeschiedene Kupferschicht zurückbleibt.) Beide Ansätze wurden verwendet, um kleine (skalierte) 1,3-GHz-Hohlräume herzustellen, die dann chemisch poliert und beschichtet wurden Hochleistungs-Impuls-Magnetron-Sputtern (HIPIMS), eine spezielle Methode zur physikalischen Gasphasenabscheidung dünner Schichten.

Die Abbildung auf Seite 22 („Zahlenspiel“) zeigt die Ergebnisse der ersten Kalttests sowie den Zielwert für die 400-MHz-Kavitäten der FCC-ee (letzterer im Q-Wert so skaliert, dass er mit der 1,3-GHz-Kavität vergleichbar ist). Ergebnisse). Aus den Daten geht hervor, dass die nahtlos beschichteten Hohlräume ein klares Potenzial haben, das FCC-ee-Leistungsziel zu erreichen – wobei hervorzuheben ist, dass es sich um vereinfachte Testhohlräume ohne Leistungskoppler und ohne HOM-Koppler handelt (und diese Hohlräume sind außerdem etwa dreimal kleiner). Durchmesser im Vergleich zu den für FCC-ee vorgesehenen 400-MHz-Hohlräumen).

Unabhängig von den Qualifikationsmerkmalen stellen diese Ergebnisse den ersten bedeutenden Fortschritt in der Leistung von Dünnschicht-SRF-Hohlräumen seit LEP dar – untermauert durch die verbesserten HIPIMS-Beschichtungen, die Verwendung nahtloser Hohlraumsubstrate und die präzise Kontrolle der Hohlraumoberflächenzustände während der Chemie, Beschichtung und Kälteprüfung . Im Hinblick auf die nächsten Schritte werden sich die Forschungs- und Entwicklungsbemühungen des CERN auf weitere Verbesserungen des Qualitätsfaktors (umgekehrt proportional zum Oberflächenwiderstand) konzentrieren. Erweiterung der Feldreichweite (bisher begrenzt durch den Versuchsaufbau und nicht durch die Eigenschaften der Testkavitäten); und das Scale-up auf viel größere Hohlräume.

Die Größe der Kavität stellt zwei Herausforderungen dar: Einerseits muss eine gleichmäßige Folienqualität über mehrere Quadratmeter Innenfläche gewährleistet werden. Zum anderen geht es darum, eine Fertigungsmethode zu finden, die eine Schweißnaht am Äquator der Hohlräume vermeidet. Alle heute gebauten elliptischen Hohlräume – ob beschichtete Hohlräume oder Bulk-Niob – werden aus vorgeformten Halbzellen zusammengesetzt. Während sich kleine 1,3-GHz-Hohlräume problemlos aus einem großen Stück Kupfer herstellen lassen, wird diese Methode schnell unwirtschaftlich, wenn man 400-MHz-Hohlräume vom FCC-Typ in Betracht zieht.

Aus diesem Grund hat das CERN eine Zusammenarbeit mit KEK in Japan initiiert, um das Potenzial für die Herstellung nahtloser Hohlräume durch Hydroforming (ein fortschrittliches Druckgussverfahren, bei dem unter hohem Druck stehende Flüssigkeiten zum Formen von Metallen eingesetzt werden) zu untersuchen. Obwohl die ersten Ergebnisse ermutigend sind, werden zahlreiche Prototypen und anschließende Beschichtungstests erforderlich sein, um diese Technologie zu einem Prozess zu entwickeln, der skaliert und industrialisiert werden kann. Im Erfolgsfall besteht die Hoffnung, dass SRF-Hohlraumsubstrate letztendlich wie Karosserieteile für Autos hergestellt werden könnten – und das zu einem Bruchteil der heutigen Herstellungskosten.

Ein weiterer aktiver Bereich der SRF-Forschung und -Entwicklung – und der Schwerpunkt einer laufenden CERN-Zusammenarbeit mit Fermilab – betrifft die 800-MHz-Multizellen-Bulk-Niob-Hohlräume, die im FCC-ee-Basisszenario vorgesehen sind. Im letzten Jahrzehnt hat Fermilab Pionierarbeit bei fortschrittlichen Oberflächenbehandlungsmethoden (z. B. Stickstoffdotierung oder -infusion) sowie verschiedenen Temperaturbehandlungen geleistet, um den Oberflächenwiderstand von 1,3-GHz-Massen-Niob-Hohlräumen für bestimmte Anwendungen anzupassen.

Bei der Verringerung des Oberflächenwiderstands wurden erhebliche Fortschritte erzielt, und die Technologie fand erstmals Anwendung in den SRF-Hohlräumen der Linac Coherent Light Source (LCLS-II) am SLAC in Kalifornien (wobei die Hohlräume zunächst behandelt und dann im Fermilab zu Kryomodulen zusammengebaut wurden). . Im Einklang mit den Anforderungen seines Proton Improvement Plan (PIP-II), einer ehrgeizigen Modernisierung des Fermilab-Beschleunigerkomplexes, hat das US-Labor damit begonnen, seine Methoden zur Oberflächenanpassung auch auf größere Hohlräume (650 MHz) anzuwenden und im Rahmen dessen ist bestrebt, FCC-ee-Prototypen einzubeziehen.

Um die Leistungsgrenzen heutiger beschichteter oder massiver Niob-Hohlräume zu überwinden, evaluieren CERN, Fermilab und andere Partnerlabore neue supraleitende Materialien, die bei höheren kryogenen Temperaturen arbeiten. Das CERN wiederum führt Probentests mit dünnen Nb3Sn- oder Vn3Si-Schichten auf Kupfer durch, während die Wissenschaftler des Fermilab eine dünne Nb3Sn-Schicht auf reinen Nioboberflächen erzeugen. Die Physik ist überzeugend: Wenn die 800-MHz-Kavitäten bei gleichem Oberflächenwiderstand bei 4,2 K statt bei 2 K betrieben werden können, wird der gesamte kryogene Stromverbrauch um zwei Drittel gesenkt.

Entlang einer anderen Koordinate können theoretisch beispiellose Beschleunigungsgradienten erreicht werden, indem mehrschichtige Filme auf Niob- oder Kupferhohlräumen angebracht werden. Forscher am CEA in Frankreich berichten von erheblichen Fortschritten bei der Abscheidung einzelner Atomschichten auf Substraten. Kurz gesagt, mit Hilfe gezielter Forschung und Entwicklung scheint dies ein vielversprechender Weg zu sein, den SRF-Oberflächenwiderstand um durchschnittlich 50 % zu reduzieren, obwohl der Erfolg letztendlich von der Verfügbarkeit qualifizierter Arbeitskräfte und einer hochmodernen Materialverarbeitungsinfrastruktur abhängt sowie präzise Diagnostik zur Bewertung der SRF-Leistung.

Vor diesem Hintergrund hat die RF-Gruppe des CERN den Bau einer speziellen SRF-Infrastruktur neben der SM18-Anlage vorgeschlagen. Das neue Gebäude wird fast 5000 m2 Platz für fortschrittliche Hohlraumchemie sowie Reinräume, Kryomodul-Montagebereich und Materialreinigungsanlagen bieten. Eine vollständige Integrationsstudie und Kostenschätzung sind nun abgeschlossen und das Projekt wird für die Aufnahme in den nächsten mittelfristigen Plan des CERN (2023–26) geprüft.

Für das SRF-Technologieprogramm des CERN scheint die Zukunft rosig zu sein.