ВЧ ГЕНЕРАТОР
HF GENERATOR

Настоящее изобретение относится к высокочастотному (ВЧ) генератору согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения, а также к ускорителю частиц с ВЧ генератором согласно пункту 11 формулы изобретения.
Известно формирование ВЧ мощности с помощью тетродов, клистронов или других устройств. Кроме того, известно направление ВЧ мощности с помощью волноводов, например полых волноводов. Известные решения предусматривают, что ВЧ мощность генерируется в первом месте и затем с помощью волновода транспортируется во второе место, где ВЧ мощность, например, с помощью демпфирующего звена или индуктивного элемента связи вводится в ВЧ резонатор. Однако в таком устройстве в местах ввода неизбежно возникают потери мощности. Кроме того, такие устройства характеризуются большой занимаемой площадью.
Кроме того, известно, что ВЧ резонаторы снабжаются встроенными приводными устройствами, чтобы возбуждать ВЧ электромагнитные колебания в резонаторе. Такой ВЧ резонатор описан например, в ЕР 0606870 А1.
Задачей настоящего изобретения является создать устройство, при котором генерация ВЧ мощности и направление сгенерированной ВЧ мощности обеспечиваются одним и тем же устройством. Эта задача решается ВЧ генератором с признаками пункта 1 формулы изобретения. Кроме того, задачей настоящего изобретения является создать ускоритель частиц с подобным ВЧ генератором. Эта задача решается ускорителем частиц с признаками пункта 11 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Соответствующий изобретению ВЧ генератор содержит твердотельный переключатель, проходящий в z-направлении рупорный волновод с первым продольным концом и вторым продольным концом и проходящий в z-направлении цилиндрический полый волновод с третьим продольным концом. При этом размещенная в х-у-плоскости первая площадь поперечного сечения рупорного волновода у первого продольного конца меньше, чем размещенная в х-у-плоскости вторая площадь поперечного сечения рупорного волновода у второго продольного конца. Второй продольный конец рупорного волновода размещен у третьего продольного конца полого волновода. Кроме того, твердотельный переключатель размещен у первого продольного конца рупорного волновода, чтобы возбуждать электромагнитное колебание в рупорном волноводе. Предпочтительным образом в этом ВЧ генераторе ВЧ мощность непосредственно возбуждается в рупорном волноводе и через него направляется в полый волновод, который транспортирует ее к потребителю. За счет этого снижаются сложность и затраты на изготовление ВЧ генератора. Другое преимущество заключается в применении твердотельного переключателя, который по сравнению с обычными устройствами для выработки РЧ мощности предоставляет повышенную гибкость и при этом может быть выполнен более компактным и экономичным. Предпочтительным является также то, что рупорный волновод осуществляет преобразование импедансов между низким импедансом твердотельного переключателя и высоким импедансом полого волновода.
Предпочтительным образом твердотельный переключатель размещен в x-z-плоскости. Предпочтительным образом твердотельный переключатель может тогда прикладывать высокочастотное электромагнитное напряжение между двумя противолежащими стенками рупорного волновода.
Целесообразно, что твердотельный переключатель имеет первый выходной вывод, который размещен на верхней стороне твердотельного переключателя, и имеет второй выходной вывод, который размещен на нижней стороне твердотельного переключателя, и причем первый выходной вывод электропроводно соединен с первой стенкой рупорного волновода, а второй выходной вывод электропроводно соединен со второй стенкой рупорного волновода, противолежащей первой стенке этого рупорного волновода. Предпочтительным образом твердотельный переключатель может тогда выполняться как двусторонний модуль и обеспечивает возможность простой интеграции твердотельного переключателя и рупорного волновода.
Предпочтительным образом полый волновод имеет прямоугольное поперечное сечение. Предпочтительным образом полый волновод с прямоугольным поперечным сечением обеспечивает возможность возбуждения подходящих мод колебаний, например ТЕ10-моды колебаний.
Особенно предпочтительно, что рупорный волновод также имеет прямоугольное поперечное сечение. Предпочтительным образом рупорный волновод и полый волновод могут тогда выполняться переходящими друг в друга и обеспечивают возможность направления ВЧ мощности из рупорного волновода в полый волновод.
В одной форме выполнения ВЧ генератора рупорный волновод расширяется между первым продольным концом и вторым продольным концом в у-направлении.
В другом выполнении ВЧ генератора рупорный волновод расширяется между первым продольным концом и вторым продольным концом в х-направлении.
Особенно предпочтительным образом полый волновод и рупорный волновод выполнены как цельная конструкция. Предпочтительным образом за счет этого минимизируются потери на переходах между рупорным волноводом и полым волноводом.
В другом выполнении ВЧ генератора рупорный волновод имеет размещенную между первым продольным концом и вторым продольным концом среднюю позицию, причем рупорный волновод между первым продольным концом и средней позицией имеет постоянную площадь поперечного сечения. Предпочтительным образом участок рупорного волновода между первым продольным концом и средней позицией тогда особенно хорошо подходит для соединения с твердотельным переключателем.
В другом выполнении ВЧ генератора полый волновод имеет четвертый продольный конец, который связан с ВЧ резонатором. Предпочтительным образом ВЧ мощность, генерируемая ВЧ генератором, может тогда вводиться в ВЧ резонатор и там соответственно применяться.
Соответствующий изобретению ускоритель частиц имеет ВЧ генератор вышеуказанного типа. Предпочтительным образом ускоритель частиц может тогда применять выработанную ВЧ генератором ВЧ мощность для ускорения заряженных частиц.
Изобретение поясняется более подробно с помощью приложенных чертежей, на которых показано следующее:
Фиг. 1 - сечение ВЧ генератора;
Фиг. 2 - вид в плане ВЧ генератора в первой форме выполнения;
Фиг. 3 - пространственное представление ВЧ генератора в первой форме выполнения;
Фиг. 4 - вид в плане ВЧ генератора согласно второй форме выполнения.
На фиг. 1 показано сечение ВЧ генератора 100 согласно первой форме выполнения. ВЧ генератор 100 служит для выработки ВЧ электромагнитных волн с высокой мощностью. Выработанная ВЧ генератором 100 ВЧ мощность может использоваться, например, в ускорителе частиц для ускорения заряженных частиц.
На фиг. 1 показано сечение ВЧ генератора в y-z-плоскости. z-направление соответствует продольному направлению ВЧ генератора 100, а также направлению потока 110 энергии, в котором направляется выработанная ВЧ генератором 100 ВЧ мощность.
ВЧ генератор 100 содержит твердотельный переключатель 200, рупорный волновод 300 и полый волновод 400, которые в z-направлении размещены друг за другом. ВЧ генератор содержит, таким образом, как средства для генерации ВЧ мощности, так и средства для направления выработанной ВЧ мощности. За счет этого ВЧ генератор 100, по сравнению с обычными ВЧ генераторами, имеет меньшую сложность и может быть изготовлен более экономичными способом.
Твердотельный переключатель 200 содержит печатную плату 230, которая размещена в x-z-плоскости. Печатная плата 230 имеет ориентированную в положительном у-направлении верхнюю сторону 231 и ориентированную в отрицательном у-направлении нижнюю сторону 232.
На печатной плате 230 размещены один или более транзисторов 240, которые выполнены с возможностью переключения ВЧ мощности. Один или более транзисторов 240 предпочтительно являются полуволноводовыми транзисторами, например SiC-JFET (полевой транзистор с р-n-переходом). Транзисторы 240 могут размещаться на верхней стороне 231, нижней стороне 232 или как на верхней стороне 231, так и на нижней стороне 232 печатной платы 230.
Твердотельный переключатель 200 также имеет первый выходной вывод 210, который размещен на верхней стороне 231 печатной платы 230. Кроме того, твердотельный переключатель 200 имеет второй выходной вывод 220, который размещен на нижней стороне 232 печатной платы 230. Между выходными выводами 210, 220 твердотельный переключатель 200 может прикладывать высокочастотное электрическое напряжение, которое переключается посредством одного или более транзисторов 240.
Кроме того, твердотельный переключатель 200 имеет не показанный на чертежах источник постоянного напряжения, посредством которого твердотельный переключатель 200 снабжается электрической мощностью.
Рупорный волновод 300 выполнен как металлический полый волновод, площадь поперечного сечения которого в z-направлении увеличивается между первым продольным концом 310 рупорного волновода 300 и вторым продольным концом 320 рупорного волновода 300. Между первым продольным концом 310 и вторым продольным концом 320 рупорный волновод 300 имеет среднюю позицию 330. Между первым продольным концом 310 и средней позицией 330 проходит цилиндрический участок 350 рупорного волновода 300. Между средней позицией 330 и вторым продольным концом 320 рупорного волновода 300 проходит конический участок 360 рупорного волновода 300. На цилиндрическом участке 350 площадь поперечного сечения рупорного волновода 300 в z-направлении не изменяется. На коническом участке 360 площадь поперечного сечения рупорного волновода 300 в z-направлении увеличивается.
Цилиндрический участок 350 имеет ориентированную в положительном у-направлении верхнюю стенку 351 и ориентированную в отрицательном у-направлении нижнюю стенку 352. Верхняя стенка 351 и нижняя стенка 352 ориентированы параллельно друг другу. В средней позиции 330 верхняя стенка 351 переходит в первую стенку 370 конического участка 360. Кроме того, нижняя стенка 352 в средней позиции 330 переходит во вторую стенку 380 конического участка 360. Первая стенка 370 и вторая стенка 380 конического участка 360 ориентированы друг к другу не параллельно, а замыкают вертикальный угол раскрыва 340, который может составлять, например, 90°.
Фиг. 2 показывает вид в плане ВЧ генератора 100 первой формы выполнения. Из фиг. 2 видно, что конический участок 360 имеет расположенную в y-z-плоскости третью стенку 390 и также расположенную в y-z-плоскости четвертую стенку 395. Третья стенка 390 и четвертая стенка 395 соединяют соответственно первую стенку 370 со второй стенкой 380 и ориентированы параллельно друг другу. Все стенки 351, 352, 370, 380, 390, 395 рупорного волновода 300 состоят из электропроводного материала, предпочтительно из металла.
Первый выходной вывод 210 твердотельного переключателя 200 на первом продольном конце 310 рупорного волновода 300 электропроводно соединен с верхней стенкой 351 цилиндрического участка 350 рупорного волновода 300. Второй выходной вывод 220 твердотельного переключателя 200 на первом продольном конце 310 рупорного волновода 300 электропроводно соединен с нижней стенкой 352 цилиндрического участка 350 рупорного волновода 300. Тем самым твердотельный переключатель 200 имеет возможность прикладывать посредством выходных выводов 210, 220 ВЧ электрическое напряжение между верхней стенкой 351 и нижней стенкой 352 цилиндрического участка 250 рупорного волновода 300, благодаря чему в рупорном волноводе 300 возбуждается электромагнитное колебание. Рупорный волновод 300 направляет эту возбужденную посредством твердотельного переключателя 200 ВЧ мощность в полый волновод 400.
Рупорный волновод 300 служит, таким образом, как преобразователь импедансов, который выполняет преобразование импедансов между низким импедансом твердотельного переключателя 200 и высоким импедансом полого волновода 400.
Полый волновод 400 имеет третий продольный конец 410 и четвертый продольный конец 420. Полый волновод 400 выполнен цилиндрическим и имеет площадь прямоугольного поперечного сечения, которая соответствует площади поперечного сечения рупорного волновода 300 на его втором продольном конце 320.
Полый волновод 400 на своем третьем продольном конце 410 соединен с вторым продольным концом 320 рупорного волновода 300. Также полый волновод 400 имеет стенки из электропроводного материала, предпочтительно из металла.
Фиг. 3 показывает для пояснения пространственное представление ВЧ генератора 100. В частности, можно видеть, что конический участок 360 рупорного волновода 300 имеет две параллельные друг другу стенки 390, 395 и две перпендикулярные к стенкам 390, 395, наклоненные друг к другу стенки 370, 380.
Фиг. 4 показывает вид в плане ВЧ генератора 1100 согласно второй форме выполнения. Основополагающая структура и способ функционирования ВЧ генератора 1100 второй формы выполнения соответствуют структуре и способу функционирования ВЧ генератора 100 первой формы выполнения.
ВЧ генератор 1100 содержит твердотельный переключатель 1200, рупорный волновод 1300 и полый волновод 1400. Твердотельный переключатель 1200 соответствует по структуре и способу функционирования твердотельному переключателю 200 ВЧ генератора 100 первой формы выполнения. Полый волновод 14 00 соответствует по структуре и способу функционирования полому волноводу 400 ВЧ генератора 100 первой формы выполнения.
Рупорный волновод 1300 заменяет в ВЧ генераторе 1100 второй формы выполнения рупорный волновод 300 ВЧ генератора 100 первой формы выполнения. Рупорный волновод 1300 содержит цилиндрический участок 1350 и конический участок 1360, которые в z-направлении размещены друг за другом и соответствуют цилиндрическому участку 350 и коническому участку 360 рупорного волновода 300 ВЧ генератора 100 первой формы выполнения.
В принципе, конический участок 1360 рупорного волновода 1300 вместо третьей стенки 390 и четвертой стенки 395 содержит пятую стенку 1390 и шестую стенку 1395. Пятая стенка 1390 и шестая стенка 1395 ориентированы не параллельно друг другу. Вместо этого пятая стенка 1390 и шестая стенка 1395 размещены с наклоном друг к другу и замыкают горизонтальный угол раскрыва 1340. Таким образом, в рупорном волноводе 1300 конический участок 1360 расширяется не только в у-направлении, но и в х-направлении.
На четвертом продольном конце 420 полый волновод 400 ВЧ генератора 100 или полый волновод 1400 ВЧ генератора 1100 может быть связан с ВЧ резонатором. Подходящие структуры связи известны из уровня техники. ВЧ резонатор может, например, быть ВЧ резонатором ускорителя частиц. В этом случае выработанная ВЧ генератором 100, 1100 ВЧ мощность может использоваться в ускорителе частиц для ускорения электрически заряженных частиц.