ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ РЕЗОНАТОР И УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ, СНАБЖЕННЫЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ РЕЗОНАТОРОМ
HIGH-FREQUENCY RESONATOR AND PARTICLES ACCELERATOR EQUIPPED WITH HIGH-FREQUENCY RESONATOR

Настоящее изобретение касается высокочастотного резонатора по п. 1 формулы изобретения, а также ускорителя частиц для ускорения электрически заряженных частиц по п. 11 формулы изобретения.
В высокочастотных резонаторах могут возбуждаться высокочастотные электромагнитные колебания. Высокочастотные резонаторы могут также называться объемными резонаторами. Высокочастотные резонаторы применяются, например, в ускорителях частиц для ускорения электрически заряженных частиц.
Для возбуждения высокочастотного электромагнитного колебания в высокочастотном резонаторе известно получение высокочастотной мощности, например, посредством клистрона или тетрода и передача посредством кабеля или волновода к высокочастотному резонатору и там через окно излучения или высокочастотную антенну ввод в высокочастотный резонатор. Впрочем, при этом виде возбуждения не могут достигаться очень высокие высокочастотные мощности.
Из EP 0 606 870 A1 известно оснащение высокочастотного резонатора проводящей стенкой, снабженной несколькими твердотельными транзисторами, которые предусмотрены для того, чтобы индуцировать высокочастотный электрический ток в стенке высокочастотного резонатора и тем самым возбуждать в высокочастотном резонаторе высокочастотное электромагнитное колебание. Возбуждение тока происходит при этом путем приложения высокочастотного электрического напряжения через электрически изолирующую прорезь в стенке высокочастотного резонатора.
Применение высокочастотных резонаторов в ускорителях частиц для ускорения электрически заряженных частиц требует вакуумирования высокочастотного резонатора до очень низкого давления. Оказалось, что наполненные диэлектрическим материалом электрически изолирующие прорези в проводящих в отличие от них стенках высокочастотного резонатора могут уплотняться только трудоемким и дорогостоящим образом.
Поэтому задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить высокочастотный резонатор с улучшенной возможностью вакуумирования. Эта задача решается с помощью высокочастотного резонатора с признаками п. 1 формулы изобретения. Задачей настоящего изобретения является также предоставить ускоритель частиц, снабженный высокочастотным резонатором с улучшенной возможностью вакуумирования. Эта задача решается с помощью ускорителя частиц с признаками п. 11 формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствования указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Предлагаемый изобретением высокочастотный резонатор включает в себя цилиндрическую полость из диэлектрического материала. Внутренняя сторона полости имеет электрически проводящее покрытие, которое разделено кольцеобразно проходящим по периметру боковой поверхности полости, электрически изолирующим зазором на первое внутреннее покрытие и второе внутреннее покрытие. Наружная сторона полости имеет электрически проводящее первое наружное покрытие и электрически проводящее второе наружное покрытие. Первое наружное покрытие и второе наружное покрытие электрически изолированы друг от друга. Высокочастотный резонатор включает в себя устройство, которое предусмотрено для того, чтобы прикладывать высокочастотное электрическое напряжение между первым наружным покрытием и вторым наружным покрытием. Предпочтительным образом цилиндрическая полость этого высокочастотного резонатора может легко вакуумироваться и не имеет проемов, уплотнение которых является проблематичным, в частности, трудно уплотняемых соединений металла с керамикой. Предпочтительным образом устройство высокочастотного резонатора через проводящие наружные и внутренние покрытия может емкостным способом возбуждать в высокочастотном резонаторе высокочастотное электромагнитное колебание.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления высокочастотного резонатора кольцеобразно проходящий по периметру зазор ориентирован перпендикулярно продольному направлению цилиндрической полости. Предпочтительным образом высокочастотный резонатор обладает тогда зеркально-вращательной симметрией, что позволяет возбуждать колебания в симметричных режимах.
В одном из также предпочтительных вариантов осуществления высокочастотного резонатора первое наружное покрытие и второе наружное покрытие проходят каждое кольцеобразно по периметру боковой поверхности полости. Тогда предпочтительным образом наружная сторона высокочастотного резонатора также обладает зеркально-вращательной симметрией, что позволяет возбуждать колебания в симметричных режимах.
Целесообразно, чтобы первое наружное покрытие в направлении, ориентированном перпендикулярно боковой поверхности полости, было расположено рядом с первым внутренним покрытием. Предпочтительным образом тогда существует сильная емкостная связь между первым наружным покрытием и первым внутренним покрытием.
Также целесообразно, чтобы второе наружное покрытие в направлении, ориентированном перпендикулярно боковой поверхности полости, было расположено рядом со вторым внутренним покрытием. Предпочтительным образом тогда существует большая емкостная связь между вторым наружным покрытием и вторым внутренним покрытием.
В одном из предпочтительных усовершенствований высокочастотного резонатора устройство включает в себя твердотельный мощный транзистор. Предпочтительным образом с помощью твердотельного мощного транзистора высокочастотная мощность, которая должна вводиться в высокочастотный резонатор, может получаться вблизи места ввода.
В одном из усовершенствований высокочастотного резонатора устройство включает в себя несколько твердотельных мощных транзисторов, которые расположены кольцеобразно вокруг боковой поверхности полости. Предпочтительным образом наличие нескольких твердотельных мощных транзисторов позволяет возбуждать в высокочастотном резонаторе особенно высокую высокочастотную мощность.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления высокочастотного резонатора диэлектрический материал представляет собой стекло или керамику. Предпочтительным образом стекло и керамика обладают механическими свойствами, пригодными для применения в качестве вакуумной камеры.
Целесообразно, чтобы полость имела форму круглого цилиндра. Предпочтительным образом баллон, выполненный в виде круглого цилиндра, позволяет возбуждать колебания в надлежащих режимах для ускорения заряженных частиц.
Предпочтительно полость выполнена, чтобы вакуумироваться до давления воздуха, пониженного по сравнению с давлением окружающей полость среды. Предпочтительным образом тогда высокочастотный резонатор может использоваться для ускорения электрически заряженных частиц.
Предлагаемый изобретением ускоритель частиц для ускорения электрически заряженных частиц имеет высокочастотный резонатор вышеназванного рода. Предпочтительным образом высокочастотный резонатор у этого ускорителя частиц может вакуумироваться до низкого давления и при этом не имеет трудно уплотняемых мест сопряжения.
Описанные выше свойства, признаки и преимущества этого изобретения, а также способ их достижения становятся яснее и отчетливее понятны в контексте последующего описания примеров осуществления, которые поясняются подробнее в связи с чертежами. При этом показано:
фиг. 1: сечение высокочастотного резонатора;
фиг. 2: сечение участка стенки высокочастотного резонатора.
На фиг. 1 показан высокочастотный резонатор 100 в сильно схематизированном изображении. В высокочастотном резонаторе 100 может возбуждаться электромагнитное колебание в высокочастотном режиме. Высокочастотный резонатор 100 может служить, например, для ускорения электрически заряженных частиц в ускорителе частиц.
Высокочастотный резонатор 100 включает в себя полость 200. Полость200 выполнена в виде полого цилиндра и имеет первую закрывающую поверхность 210 в форме плоского круга, вторую закрывающую поверхность 220 в форме плоского круга и боковую поверхность 230, соединяющую первую закрывающую поверхность 210 со второй закрывающей поверхностью 220. На изображении фиг. 1 полость 200 рассечена по плоскости чертежа. На фиг. 1, таким образом, изображена только половина полости 200.
Выполненная в виде полого цилиндра полость 200 задает продольное направление 201 и радиальное направление 202, которое ориентировано перпендикулярно продольному направлению 201. Первая закрывающая поверхность 210 и вторая закрывающая поверхность 220 ориентированы каждая перпендикулярно продольному направлению 201. Боковая поверхность 230полости 200 распространяется между первой закрывающей поверхностью 210 и второй закрывающей поверхностью 220 в продольном направлении 201.
Первая закрывающая поверхность 210 и вторая закрывающая поверхность 220 в альтернативных вариантах осуществления могут быть также выполнены иначе, чем в форме плоского круга. Например, закрывающие поверхности 210, 220 могут иметь каждая прямоугольную форму или эллиптическую форму.
Полость 200 состоит из электрически изолирующего диэлектрического материала. Предпочтительно полость 200 состоит из стекла или керамики. Предпочтительным образом стеклянные и керамические материалы достаточно прочны, чтобы выдерживать высокую разность давлений между внутренним пространством полости 200 и окружающей полость200 средой.
Полость 200 высокочастотного резонатора полностью охватывает полость и предпочтительно не имеет трудно уплотняемых мест сопряжений, в частности, не имеет переходов металл-керамика. Это позволяет вакуумировать полость 200 до давления, пониженного по сравнению с давлением воздуха в окружающей полость 200 среде. Для вакуумирования полости 200 полость 200 может иметь один или несколько надлежащих фланцев. Первая закрывающая поверхность 210 и вторая закрывающая поверхность 220 полости 200 могут, кроме того, иметь надлежащие отверстия или окна, через которые струя заряженных частиц может попадать внутрь полости 200 и выходить изнутри полости 200.
Полость 200 имеет внутреннюю сторону 240, которая обращена к охваченной баллоном 200 полости. Кроме того, полость 200 имеет наружную сторону 250, которая обращена к окружающей полость 100 среде.
На внутренней стороне 240полости 200 расположено электрически проводящее покрытие 300. Это электрически проводящее покрытие 300 может состоять, например, из металла. Внутреннее покрытие 300 разделено на первое внутреннее покрытие 310 и второе внутреннее покрытие 320. Между первым внутренним покрытием 310 и вторым внутренним покрытием 320 расположен электрически изолирующий внутренний зазор 330, посредством которого первое внутреннее покрытие 310 электрически изолировано от второго внутреннего покрытия 320. В области внутреннего зазора 330 на внутренней стороне 240полости 200 проводящее покрытие не предусмотрено.
Предпочтительно внутренний зазор 330 расположен, проходя кольцеобразно по периметру боковой поверхности 230полости 200. При этом внутренний зазор 330 предпочтительно ориентирован перпендикулярно продольному направлению 201полости 200 и, таким образом, параллельно закрывающим поверхностям 210, 220. Особенно предпочтительно, если внутренний зазор 330 расположен в середине между первой закрывающей поверхностью и второй закрывающей поверхностью 220.
Первое внутреннее покрытие 310 покрывает внутреннюю сторону 240 первой закрывающей поверхности 210, а также внутреннюю сторону 240 примыкающего к первой закрывающей поверхности 210 участка боковой поверхности 230. Второе внутреннее покрытие 320 покрывает внутреннюю сторону 240 второй закрывающей поверхности 220, а также внутреннюю сторону 240 примыкающего ко второй закрывающей поверхности 220 участка боковой поверхности 230.
В продольном направлении 201 внутренний зазор 330 предпочтительно выполнен очень узким. В частности, ширина внутреннего зазора 330 в продольном направлении 201 предпочтительно мала по сравнению с длиной полости 200 в продольном направлении 201 и мала по сравнению с длиной волны колебания высокочастотного режима, возбуждаемого в высокочастотном резонаторе 100.
С наружной стороны 250полости 200 расположено электрически проводящее покрытие 400. Наружное покрытие 400 может, например, состоять из металла. Наружное покрытие 400 включает в себя первое наружное покрытие 410 и второе наружное покрытие 420. Между первым наружным покрытием 410 и вторым наружным покрытием 420 расположен наружный зазор 430. В области наружного зазора 430 электрически проводящее покрытие с наружной стороны 250полости 200 не предусмотрено. Посредством наружного зазора 430 первое наружное покрытие 410 и второе наружное покрытие 420 электрически изолированы друг от друга.
На фиг. 2 показано сечение участка боковой поверхности 230полости 200 высокочастотного резонатора 100 в области внутреннего зазора 330 и наружного зазора 430. Можно видеть, что наружный зазор 430 находится в продольном направлении 201 в том же положении, что и внутренний зазор 330. В радиальном направлении 202 наружный зазор 430 расположен рядом с внутренним зазором 330. Наружный зазор 430 расположен, проходя кольцеобразно по периметру наружной стороны 250 боковой поверхности 230. В случае если внутренний зазор 330 в продольном направлении 201полости 200 находится в середине между первой закрывающей поверхностью 210 и второй закрывающей поверхностью 220, то наружный зазор 430 также предпочтительно расположен в середине между первой закрывающей поверхностью 210 и второй закрывающей поверхностью 220. Ширина наружного зазора 430 в продольном направлении 201 предпочтительно по существу соответствует ширине внутреннего зазора 330 в продольном направлении 201.
Первое наружное покрытие 410 и второе наружное покрытие 420 также расположены каждое, проходя кольцеобразно по периметру наружной стороны 250 боковой поверхности 230. При этом кольцеобразно выполненные наружные покрытия 410, 420 предпочтительно ориентированы перпендикулярно продольному направлению 201полости 200. Ширина первого наружного покрытия 410 в продольном направлении 201, а также ширина второго наружного покрытия 420 в продольном направлении 201 предпочтительно примерно соответствует ширине наружного зазора 430 в продольном направлении 201полости 200. Первое наружное покрытие 410 и второе наружное покрытие 420 могут также, однако, в продольном направлении 201 иметь большую ширину или меньшую ширину, чем наружный зазор 430. Предпочтительно ширина первого и второго наружного покрытия 410, 420 в продольном направлении 201 мала по сравнению с длиной волны электромагнитного колебания режима, возбуждаемого в полости 200.
Первое наружное покрытие 410 диэлектрической боковой поверхностью 230 изолировано от первого внутреннего покрытия 310. Второе наружное покрытие 420 диэлектрической боковой поверхностью 230 изолировано от второго внутреннего покрытия 320. Первое внутреннее покрытие 410, диэлектрическая боковая поверхность 230 и первое внутреннее покрытие 310 образуют первый конденсатор. Второе наружное покрытие 420, диэлектрическая боковая поверхность 230 и второе внутреннее покрытие 320 образуют второй конденсатор. Первый и второй конденсатор осуществляют емкостную связь между первым наружным покрытием 410 и первым внутренним покрытием 310 или, соответственно, между вторым наружным покрытием 420 и вторым внутренним покрытием 320. Электрическое напряжение, приложенное между первым наружным покрытием 410 и вторым наружным покрытием 420, емкостным способом вводится в первое внутреннее покрытие 310 и второе внутреннее покрытие 320, так что приложенное между первым наружным покрытием 410 и вторым наружным покрытием 420 напряжение создает, по существу, такое же электрическое напряжение между первым внутренним покрытием 310 и вторым внутренним покрытием 320.
Высокочастотный резонатор 100 включает в себя устройство 500 возбуждения, которое предусмотрено для того, чтобы вводить высокочастотную электромагнитную мощность в полость 200 высокочастотного резонатора 100. Для этого устройство 500 возбуждения выполнено, чтобы прикладывать высокочастотное электрическое напряжение между первым наружным покрытием 410 и вторым наружным покрытием 420. Устройство 500 возбуждения предпочтительно имеет твердотельный мощный транзистор или другой твердотельный выключатель. Особенно предпочтительно, если устройство 500 возбуждения включает в себя несколько твердотельных мощных транзисторов, которые расположены кольцеобразно в области наружного зазора 420 по периметру наружной стороны 250 боковой поверхности 230полости 200.
Когда с помощью устройства 500 возбуждения прикладывается высокочастотное электрическое переменное напряжение между первым наружным покрытием 410 и вторым наружным покрытием 420, то вследствие емкостных связей между наружными покрытиями 410, 420 и внутренними покрытиями 310, 320 возникает также высокочастотное электрическое переменное напряжение между первым внутренним покрытием 310 и вторым внутренним покрытием 320. В первом внутреннем покрытии 310 и втором внутреннем покрытии 320 введенное высокочастотное электрическое напряжение возбуждает высокочастотный электрический ток.
Если частота переменного напряжения, приложенного устройством 500 возбуждения между первым наружным покрытием 410 и вторым наружным покрытием 420, соответствует резонансной частоте высокочастотного резонатора 100, то индуцированный во внутренних покрытиях 310, 320 ток вызывает возбуждение резонансного колебания высокочастотного режима внутри полости 200.
Таким образом, устройство 500 возбуждения позволяет емкостным способом вводить высокочастотную электромагнитную мощность в полость 200 высокочастотного резонатора 100, чтобы возбуждать и усиливать резонансное высокочастотное колебание внутри полости200.
Предпочтительным образом полость 200 высокочастотного резонатора 100 одновременно служит в качестве вакуумируемой камеры и в качестве подложки для электрически проводящего внутреннего покрытия 300. Благодаря возможности емкостного возбуждения полость 200 не требует никаких электрически проводящих проемов и поэтому также никаких трудно уплотняемых переходов металл-керамика.
Хотя изобретение было подробно проиллюстрировано и описано в деталях на предпочтительном примере осуществления, изобретение не ограничено раскрытыми примерами. Специалист может вывести отсюда другие варианты, не выходя из объема охраны изобретения.