Verfahren zum chemischen Polieren von Niob-Teilen, insbesondere eines Hohlraumresonators

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum chemischen Polieren von Niob-Teilen, insbesondere eines Hohlraumresonators,.in einem HF, HNO₃, H2S0₄ und H₂0 enthaltenden Säuregemisch.

[0002] Niob wird unter anderem als Material für supraleitende Hohlraumresohatoren verwendet. Solche Hohlraumresonatoren können insbesondere für Teilchenbeschleuniger vorgesehen sein. In der supraleitenden Oberfläche dieser Hohlraumresonatoren findet bei deren Betrieb eine Hochfrequenzabsorption statt. Um diese Absorption und die damit verbundenen Verluste klein zu halten, sollen die Oberflächenschichten möglichst homogen zusammengesetzt, möglichst glatt und möglichst frei von Störungen aller Art sein.

[0003] Die bei einer mechanischen Bearbeitung der Nioboberflächen eines Resonators unvermeidlichen Oberflächenrauhigkeiten mit Rauhtiefen von beispielsweise bis zu 100 µm und mehr müssen daher in besonderen Polierverfahren beseitigt werden. Zugleich ist es im allgemeinen erforderlich, Oberflächenschichten von entsprechender Dicke abzutragen, soweit diese durch die vorhergehende mechanische Bearbeitung hervorgerufene Störungen im Kristallgitter aufweisen. Diese Störungen führen nämlich ebenfalls zu Verlusten.

[0004] Aus der DE-PS 2 027 156 ist beispielsweise ein Verfahren zum anodischen Polieren der Niobteile von Hohlraumresonatoren bekannt, bei dem ein H_ZS0₄, HF und H₂0 enthaltender Elektrolyt mit einem vorbestimmten Mischungsverhältnis dieser Anteile verwendet wird. Gemäß dem Verfahren wird bei einer Temperatur zwischen 15 und 50°C gearbeitet und eine konstante Spannung zwischen 9 und 50 V derart eingestellt, daß dem Elektrolytstrom überlagerte gedämpfte Stromschwingungen auftreten und spätestens nach vollständigem Abklingen der Stromschwingungen die Spannung solange abgeschaltet wird, bis die während der Stromschwingungen aufgebaute Oxidschicht aufgelöst wird. Diese Verfahrensschritte werden anschließend noch mehrmals durchlaufen. Das bekannte Verfahren ist zwar sehr gut zum Polieren von Niob-Resonatorflächen geeignet; es ist jedoch verhältnismäßig aufwendig.

[0005] Dagegen sind rein chemische Polierverfahren wesentlich einfacher durchzuführen. Ein solches Verfahren zum Polieren von Niob-Flächen ist z.B. aus dem Buch von G. L. Miller: "Tantalum and Niobium", Verlag Butterworth Scientific Publications, London 1959, Seite 328, bekannt. Danach sollen die zu polierenden Flächen in ein Bad aus einem Säuregemisch eingebracht werden, das einen Volumenanteil 40%ige Flußsäure (HF), zwei Volumenanteile konzentrierte, d.h. 69%ige Salpetersäure (HN0₃) und zwei Volumenanteile konzentrierte, d.h. 98%ige Schwefelsäure (H₂S0₄) enthält. Besondere Temperaturverhältnisse sind bei diesem bekannten Verfahren nicht zu beachten. Mit dieser Säuremischung lassen sich zwar Oberflächenschichten abtragen. Dabei ist jedoch mehr eine Ätzung als eine Politur der Niob-Flächen zu beobachten. Das bekannte Verfahren ist deshalb zum Polieren von für Hochfrequenzanwendungen vorgesehenen Niob-Teilen wie z.B. von supraleitenden Hohlraumresonatoren nicht geeignet.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das eingangs genannte Verfahren zum Polieren von Niob-Teilen dahingehend zu verbessern, daß mit ihm die an eine Politur von Niob-Hohlraumresonatoren zu stellenden Anforderungen zu erfüllen sind, wobei insbesondere die Gefahr einer Anätzung der Resonatorflächen vermieden wird.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Hauptanspruchs aufgeführten Maßnahmen gelöst. Dabei sollen, wie-durch den Hinweis auf ungefähre Werte der einzelnen Anteile des Säuregemisches zum Ausdruck gebracht ist, bei den genannten Werten Abweichungen von + 5 % mit eingeschlossen sein.

[0008] Den Maßnahmen nach der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich mit einem HF, HNO₃, H₂SO₄ und H₂O enthaltenden Säuregemisch dennoch ein Polieren der Niobteile eines Hohlraumresonators vornehmen läßt, falls ganz bestimmte Zusammensetzungen des. Gemisches und bestimmte Verfahrensparameter eingehalten werden. Der Grund, warum das bekannte Verfahren nicht zu dem für supraleitende Niob-Hohlraumresonatoren gewünschten Poliereffekt^*führt, ist nämlich darin zu sehen, daß die Reaktion stark exotherm verläuft und insbesondere von der Größe des Niobvolumens und der Temperatur abhängig ist. Ein kleiner Niobkörper wie z.B. ein kreisscheibenförmiges Plättchen aus 0,5 mm starkem Niob-Blech mit einem Durchmesser von 1 cm hat zwar eine entsprechend geringe Wärmemasse und heizt sich deshalb nach Einbringen in das bekannte Säuregemisch etwas auf. Diese Temperaturerhöhung ist jedoch im allgemeinen nicht ausreichend, um die für Hochfrequenzanwendungen geforderte Polierwirkung zu erreichen. Bei einem größeren Niob- körper wie z.B. einem Resonator wird dem ihn umgebenden Gemisch aufgrund seiner großen Wärmemasse sogar noch Wärme entzogen, so daß es zu einer unerwünschten Temperaturverminderung an seiner Oberfläche kommt.

[0009] Die mit der Erfindung erreichten Vorteile bestehen also darin, daß bei dem angegebenen Mischungsverhältnis aufgrund des vorbestimmten Volumenverhältnisses von Säure zu Niob-Material und der vorbestimmten Mindesttemperatur eine erhöhte Temperatur an den Oberflächen der Niob-Teile stets gewährleistet ist. Dabei werden zwar die Korngrenzen leicht angeätzt, d.h. sie werden sichtbar. Jedoch werden die Körner mit statistischen Orientierungen nicht unterschiedlich abgetragen; d.h. es ist vorteilhaft keine Stufenbildung an den Korngrenzen zu beobachten. Die Körner werden deshalb extrem glatt, falls das Niobgitter nicht durch eine zu starke Kaltverformung sehr stark gestört ist.

[0010] Sollen Niob-Körper mit verhältnismäßig kleinem Oberflächen- zu Volumen-Verhältnis poliert werden, so wird 'vorteilhaft ein noch größeres Verhältnis des Volumens des Säuregemisches zu dem Volumen der Niob-Teile vorgesehen. Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung sollen deshalb die Niob-Teile in ein Säuregemisch eingebracht werden, dessen Volumen mindestens das 50fache des Volumens des Niob-Materials beträgt.

[0011] Eine besonders gute Polierwirkung wird erreicht, wenn man die Niob-Teile in ein Säuregemisch einbringt, das etwa 6,5 bis 8,5 Gew.-% HF, 12,5 bis 19,5 Gew.-% HNO₃, 46 bis 62 Gew.-% H₂S0₄ und die restlichen Gewichtsprozente H₂0 enthält.

[0012] .Eine ausreichend hohe Temperatur an den zu polierenden Flächen der in das Säuregemisch eingebrachten Niobteile ist auf alle Fälle gewährleistet, wenn das Säuregemisch eine Mindesttemperatur von 70°C hat.

[0013] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele verwiesen.

[0014] Bei den zu polierenden Niob-Teilen handelte es sich um einen Hohlraumresonator vom TM₀₁₀-Typ, wie er z.B. in der Veröffentlichung "Cryogenics", Januar 1976, Seite 20, Fig. 6 veranschaulicht ist. Der Resonator war aus etwa 1 mm starkem Niob-Blech zusammengesetzt und hatte eine axiale Ausdehnung von 50 mm. Die stirnseitigen, lochscheibenförmigen, etwa 5 mm starken Flanschteile des Resonators mit einem Außendurchmesser von 54 mm hatten eine zentrale Öffnung von 12 mm Durchmesser für axiale Koppelrohre. Zwischen den Koppelrohren war der eigentliche zylinderförmige Resonatorhohlraum mit einem - Innendurchmesser von 25 mm und einer axialen Ausdehnung von 15 mm angeordnet. Das Resonatorgewicht betrug etwa 195 g, so daß das Volumen etwa 23 cm³ betrug. Die gesamte Oberfläche der Niob-Teile des Resonators war etwa 175 cm² groß. Dieser Resonator wurde in etwa 400 ml einer Säuremischung gemäß der Erfindung poliert. Die Säuremischung bestand aus 25 Volumenprozent 40 %iger Flußsäure, 25 Volumenprozent 65 %iger Salpetersäure und 50 Volumenprozent 96 %iger Schwefelsäure. Dies entspricht einer Zusammensetzung des Säuregemisches von etwa 7,3 Gew.-% HF, 14,7 Gew.-% HN0₃, 56,9 Gew.-% H₂S0₄ und 21,1 Gew.-% H₂0. Dieses Säuregemisch aus Säuren allgemein gebräuchlicher Konzentrationen wurde frisch angesetzt, wobei dem Gemisch aus Fluorsäure und Salpetersäure die Schwefelsäure zugesetzt wurde. Dabei stellte sich vorteilhaft eine anfängliche Temperatur von über 75°C ein. Da der Polierprozeß sehr schnell abläuft, waren bereits nach 20 Sekunden etwa 70 _/um abgetragen, wobei die Innenseite des Resonators glänzend war. Während der Resonator vor dem Polierprozeß bei einer kritischen Flußdichte B ^ac von etwa 25 mT eine Güte Q_o von etwa 7 · 10 hatte, wurde nach der Politur eine Güte Q_o von etwa 4,5 10 bei einer kritischen Flußdichte B_c^ac von 73 mT gemessen.

[0015] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wurde ein weiterer Resonator des gleichen Typs mit denselben Abmessungen wie in dem vorstehenden Beispiel in etwa 400 ml einer Säuremischung gemäß der Erfindung poliert. Die Säuremischung bestand aus 80 ml 40 %iger Flußsäure, 160 ml 69 %iger Salpetersäure und 160 ml 98 %iger Schwefelsäure. Dieses Säuregemisch aus Säuren allgemein gebräuchlicher Konzentrationen wurde frisch angesetzt, wobei dem Gemisch aus Fluorsäure und Salpetersäure die Schwefelsäure zugesetzt wurde. Dabei stellte sich vorteilhaft eine anfängliche Temperatur von über 75°C ein. Da der Polierprozeß sehr schnell abläuft, waren bereits nach 30 Sekunden nach 30 µm abgetragen, wobei die Innenseite des Resonators glänzend war. Während die Resonatorinnenflächen vor dem Polierprozeß eine mittlere Rauhtiefe von etwa 2,5 _/um hatten, wurde nach der Politur eine mittlere Rauhtiefe von weniger als 0,3 µm ermittelt.

[0016] Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich also vorzüglich zu einem schnellen und einfachen Polieren der Oberflächen von Hohlraumresonatoren aus Niob. Es kann selbstverständlich ebensogut auch zum Polieren beliebiger anderer Niobteile verwendet werden.

Ansprüche

1. Verfahren zum chemischen Polieren von Niob-Teilen, insbesondere eines Hohlraumresonators, in einem HF, HNO₃, H₂SO₄ und H₂0 enthaltenden Säuregemisch, dadurch gekennzeichnet , daß die Niob-Teile in ein Säuregemisch eingebracht werden, das eine Mindesttemperatur von 40°C hat, dessen Volumen mindestens das 15fache des Volumens des Niob-Materials beträgt und das etwa α Gew.-% HF, etwa β Gew.-% HNO₃, etwa γ Gew.-% H₂S0₄ und die restlichen Gewichtsprozente H₂0 enthält, wobei α zwischen 5 und 10, zwischen 11 und 26 sowie γ zwischen 36 und 66 liegen.

2. Polierverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Niob-Teile in ein Säuregemisch eingebracht werden, dessen Volumen mindestens das 50fache des Volumens des Niob-Materials beträgt.

3. Polierverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Niob-Teile in ein Säuregemisch eingebracht werden, das etwa 6,5 bis 8,5 Gew.-% HF, 12,5 bis 19,5 Gew.-% HNO₃, 46 bis 62 Gew.-% H₂SO₄ und die restlichen Gewichtsprozente H₂0 enthält.

4. Polierverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß ein Säuregemisch verwendet wird, das etwa 7,3 Gew.-% HF, 14,7 Gew.-% HNO₃, 56,9 Gew.-% H₂SO₄ und 21,1 Gew.-% H₂0 enthält.

5. Polierverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Niob-Teile in ein Säuregemisch eingebracht werden, das eine Mindesttemperatur von 70°C hat.

6. Polierverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Niob-Teile in eine frisch angesetzte Säuremischung eingebracht werden, der als letzte Säure der vorbestimmte Anteil an H₂S0₄ zugesetzt wurde.