РЕЗОНАТОРНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ РЕЗОНАТОРА
RESONATOR APPARATUS AND RESONATOR DRIVING METHOD

Настоящее изобретение относится к способу возбуждения резонатора согласно п. 1 формулы изобретения, а также резонаторному устройству с резонатором и устройством возбуждения согласно п. 9 формулы изобретения.
Резонаторы, то есть колебательные системы, существуют во многих вариантах. Резонаторы могут быть выполнены, например, как радиочастотные (RF) полости (объемные резонаторы), в которых могут возбуждаться электромагнитные колебания. Известно, что такие RF объемные резонаторы применяются в ускорителях электрически заряженных частиц.
Для возбуждения и поддержания резонаторного колебания к резонатору посредством устройства возбуждения извне должна подводиться энергия. В резонаторах ускорителей частиц, выполненных как RF объемные резонаторы, для этого применяются высокочастотные источники. Для того чтобы регулировать количество накопленной в резонаторе энергии, обычно регулируется амплитуда выходного сигнала этих высокочастотных источников. В особенности, при применении твердотельных переключателей для возбуждения такая регулируемость по амплитуде требует в общем случае значительных затрат и снижает эффективность известных устройств возбуждения.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить улучшенный способ для возбуждения резонатора. Эта задача решается способом с признаками п. 1 формулы изобретения. Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить улучшенное резонаторное устройство с резонатором и устройством возбуждения. Эта задача решается резонаторным устройством с признаками п. 9 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствующем изобретению способе для возбуждения резонатора, который имеет резонансную частоту, резонатор в течение первого временного интервала возбуждается с первой частотой, которая отличается от резонансной частоты на первую разность частот. Во время второго временного интервала резонатор возбуждается с второй частотой, которая отличается от резонансной частоты на вторую разность частот. При этом первая разность частот и вторая разность частот имеют разные знаки. Кроме того, величины первой разности частот и второй разности частот отличаются друг от друга менее чем на 10% большей величины. Иными словами, первая частота и вторая частота лежат по возможности симметрично относительно резонансной частоты. Предпочтительным образом, к резонатору за счет возбуждения с первой и второй частотами, отличающимися от резонансной частоты, подводится меньше энергии. За счет примерно симметричного положения первой частоты и второй частоты относительно резонансной частоты фазовый сдвиг резонаторного колебания, вызванный возбуждением резонатора с частотами, отличающимися от резонансной частоты, усредняется. Тем самым способ позволяет предпочтительным образом регулировать введенную в резонатор мощность, не варьируя амплитуду возбуждения. За счет этого способ может быть реализован технически предпочтительным образом без больших затрат.
В предпочтительной форме выполнения способа первый временной интервал и второй временной интервал следуют периодически друг за другом. Предпочтительным образом, первые временные интервалы и вторые временные интервалы могут тогда выбираться соответственно очень короткими, благодаря чему вызванные посредством возбуждения резонатора первой частотой и второй частотой фазовые сдвиги резонаторного колебания усредняются особенно эффективно.
Целесообразно, чтобы первый временной интервал и второй временной интервал имели одинаковые длины. Предпочтительным образом за счет этого также поддерживается особенно эффективное усреднение фазовых сдвигов резонаторного колебания.
В особенно предпочтительной форме выполнения способа резонатор во время первого временного интервала и второго временного интервала возбуждается с постоянной амплитудой возбуждения. Предпочтительным образом способ тогда может быть реализован без регулирования амплитуды возбуждения.
В варианте осуществления способа резонатор в течение дополнительного временного интервала возбуждается с резонансной частотой. Предпочтительным образом тогда в течение дополнительного временного интервала повышается подводимая к резонатору мощность.
Предпочтительным образом резонатор в течение первого временного интервала, второго временного интервала и дополнительного временного интервала возбуждается с постоянной амплитудой возбуждения. Предпочтительным образом для возбуждения резонатора тогда применяется устройство возбуждения, в котором регулируемость амплитуды возбуждения не обязательно должна быть возможной.
В предпочтительной форме выполнения способа первая разность частот и вторая разность частот увеличиваются, когда амплитуда колебаний резонатора должна уменьшаться. Предпочтительным образом это позволяет уменьшить мощность резонаторного колебания, не требуя для этого изменения амплитуды.
В также предпочтительной форме выполнения способа первая разность частот и вторая разность частот уменьшаются, когда амплитуда колебаний резонатора должна увеличиваться. Предпочтительным образом это позволяет регулировать мощность резонаторного колебания, не требуя для этого изменения амплитуды.
Соответствующее изобретению резонаторное устройство содержит резонатор и устройство возбуждения для возбуждения колебания резонатора. При этом устройство возбуждения выполнено так, чтобы выполнять способ вышеуказанного типа. Предпочтительным образом тогда не требуется выполнять устройство возбуждения с изменяемой амплитудой выходного сигнала. За счет этого устройство возбуждения предпочтительным образом может быть выполнено простым и имеющим высокую эффективность.
В форме выполнения резонаторного устройства колебание является электромагнитным колебанием. Предпочтительным образом тогда резонаторное устройство может использоваться для многих технических целей.
В предпочтительной форме выполнения резонаторного устройства резонатор выполнен как RF объемный резонатор. Предпочтительным образом RF объемные резонаторы могут применяться для многих технических целей.
В особенно предпочтительной форме выполнения резонаторного устройства резонатор является резонатором ускорителя частиц. Предпочтительным образом резонатор резонаторного устройства может тогда применяться для ускорения электрически заряженных частиц. Из-за огромного потребления энергии ускорителей частиц возможное в таком резонаторном устройстве выполнение устройства возбуждения с высокой эффективностью предпочтительным образом особенно благоприятно.
В форме выполнения резонаторного устройства устройство возбуждения имеет твердотельный переключатель. Предпочтительным образом применение твердотельных переключателей обеспечивает возможность экономичного и энергетически эффективного выполнения устройства возбуждения.
Вышеописанные свойства, признаки и преимущества настоящего изобретения, а также способ их достижения будут пояснены в связи со следующим описанием примеров выполнения, которые более подробно поясняются со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
Фиг. 1 - примерная амплитудно-частотная характеристика резонатора;
Фиг. 2 - примерная диаграмма фазового положения между резонаторным колебанием и внешним возбуждением;
Фиг. 3 - характеристика возбуждающей частоты возбуждения резонатора;
Фиг. 4 - амплитудная характеристика колебания резонатора и
Фиг. 5 - схематичное резонаторное устройство.
Фиг. 1 показывает схематичное представление на графике амплитудно-частотной характеристики 100 резонатора. В принципе каждый резонатор имеет сопоставимую амплитудно-частотную характеристику. В данном случае резонатор является, например, RF объемным резонатором, в котором может возбуждаться электромагнитное колебание.
На горизонтальной оси графика на фиг. 1 нанесена частота 101 возбуждения. Частота 101 возбуждения указывает частоту, с которой резонаторное колебание возбуждается внешним образом. По вертикальной оси графика на фиг. 1 нанесена амплитуда 102 колебания. Амплитуда 102 колебания указывает амплитуду резонаторного колебания резонатора и при этом представляет меру для накопленной в резонаторном колебании энергии. Амплитудно-частотная характеристика 100 на фиг. 1 дает амплитуду резонаторного колебания, которое устанавливается при возбуждении резонатора с определенной частотой 101 возбуждения. Таким образом, амплитудно-частотная характеристика 100 на фиг. 1 указывает энергию, введенную в резонатор посредством внешнего возбуждения, в зависимости от частоты 101 возбуждения внешнего возбуждения.
Амплитудно-частотная характеристика 100 имеет при резонансной частоте 110 резонатора максимальную амплитуду 140. При частотах 101 возбуждения, которые больше или меньше, чем резонансная частота 110 резонатора, возбужденная в резонаторе амплитуда спадает. Так, возбужденное резонаторное колебание при пониженной частоте 120, которая меньше, чем резонансная частота 110, имеет лишь пониженную амплитуду 150. При повышенной частоте 123, которая больше, чем резонансная частота 110, резонаторное колебание имеет также пониженную амплитуду 150. Спад амплитудно-частотной характеристики 100 вне резонансной частоты 110 тем круче, чем выше добротность резонатора. Амплитуды при пониженной частоте 120 и при повышенной частоте 130 могут также отличаться друг от друга.
Пониженная частота 120 отличается от резонансной частоты 110 на первую разность 125 частот. Повышенная частота 130 отличается от резонансной частоты 110 на вторую разность 135 частот. Первая разность 125 частот и вторая разность 135 частот имеют разные знаки. Предпочтительным образом первая разность 125 частот и вторая разность 135 частот имеют, однако, примерно одинаковую величину. Тогда резонансная частота 110 резонатора лежит посредине между пониженной частотой 120 и повышенной частотой 130.
Если резонатор возбуждается с резонансной частотой 110, то устанавливается резонаторное колебание с максимальной амплитудой 140. Поданная в резонатор энергия в этом случае максимальна. Если резонатор возбуждается с пониженной частотой 120 или с повышенной частотой 130, то устанавливается резонаторное колебание с пониженной амплитудой. В этом случае также меньше энергии вводится в резонатор за счет внешнего возбуждения. Таким образом, за счет вариации частоты 101 возбуждения, с которой возбуждается резонатор, варьируется энергия, введенная в резонатор.
Фиг. 2 показывает в схематичном представлении график фазового положения 200 между внешним возбуждением резонатора и резонаторным колебанием, устанавливающимся в резонаторе. На горизонтальной оси вновь отложена частота 101 возбуждения внешнего возбуждения. На вертикальной оси нанесен фазовый сдвиг 201 между внешним возбуждением и резонаторным колебанием.
о
При возбуждении резонатора резонансной частотой 110 устанавливается резонансное фазовое положение 210 между внешним возбуждением и резонаторным колебанием. Резонансное фазовое положение 210 может, например, быть фазовым сдвигом 90 между возбуждением и резонаторным колебанием. Вне резонансной частоты 110 изменяется фазовый сдвиг 201 между возбуждением и резонаторным колебанием. Так, при возбуждении резонатора с пониженной частотой 120 устанавливается первое фазовое положение 220, а при возбуждении резонатора повышенной частотой 130 устанавливается второе фазовое положение 230. Как правило, это нежелательно. Желательно, чтобы фазовый сдвиг 201 между внешним возбуждением и резонаторным колебанием оставался при резонансном фазовом положении 210.
В показанном на фиг. 1 и 2 примере пониженная частота 120 и повышенная частота 130 в общем случае выбраны так, что первое фазовое положение 220 отличается от резонансного фазового положения 210 на изменение 225 первого фазового положения, и второе фазовое положение 230 отличается от резонансного фазового положения 210 на изменение 235 второго фазового положения. При этом изменение 225 первого фазового положения и изменение 235 второго фазового положения имеют различные знаки, однако примерно одинаковую величину.
Пониженная частота 120 и повышенная частота 130 выбраны таким образом, что первое фазовое положение 220, устанавливающееся при возбуждении с пониженной частотой 120, и второе фазовое положение 220, устанавливающееся при возбуждении с повышенной частотой 130, расположены по возможности симметрично относительно резонансного фазового положения 210, таким образом, изменение 225 первого фазового положения и изменение 235 второго фазового положения имеют по возможности идентичные величины. Менее важным является то, устанавливается ли при возбуждении с пониженной частотой 120 и при возбуждении с повышенной частотой 130 одинаковая сниженная амплитуда 150. Некритично, если при пониженной частоте 120 устанавливается другая амплитуда 102 колебаний, чем при повышенной частоте 130.
При применении резонатора с высокой добротностью выполняется вышеуказанное требование, когда пониженная частота 120 и повышенная частота 130 расположены примерно симметрично относительно резонансной частоты 110, то есть первая разность 125 частот и вторая разность 135 частот имеют примерно равные величины. Предпочтительным образом величины первой разности 125 частот и второй разности 135 частот различаются менее чем на 10% большей величины. Особенно предпочтительно, величины первой разности 125 частот и второй разности 135 частот различаются на еще существенно меньшую долю, например только на 5% или 1%.
Если резонатор попеременно возбуждается с пониженной частотой 120 и повышенной частотой 130, то получающиеся изменения 225, 235 фазового положения взаимно компенсируются. Эта компенсация функционирует тем лучше, чем быстрее следуют друг за другом интервалы возбуждения с пониженной частотой 120 и повышенной частотой 130. Это может, например, достигаться тем, что частота возбуждения контролируемым образом нагружается фазовым флуктуациями.
Фиг. 3 показывает схематичную характеристику 300 частоты возбуждения, посредством которой осуществляется управление мощностью резонатора, при этом амплитуда возбуждения резонатора не изменяется. На горизонтальной оси графика на фиг. 3 нанесено время 301. На вертикальной оси на графике нанесена частота 101 возбуждения, которой возбуждается резонатор.
Фиг. 4 показывает на схематичном графике амплитудную характеристику 400 амплитуды колебаний резонаторного колебания, которое устанавливается во время возбуждения резонатора согласно характеристике 300 частоты возбуждения на фиг. 3. На горизонтальной оси графика на фиг. 4 нанесено время 301. На вертикальной оси графика представлена амплитуда 102 колебания резонаторного колебания.
В течение первого временного интервала 311 между первым моментом 310 времени и вторым моментом 320 времени, следующим по времени за первым моментом 310 времени, резонатор возбуждается резонансной частотой 110. Таким образом, между первым моментом 310 времени и вторым моментом 320 времени в резонаторе устанавливается максимальная амплитуда 140 резонаторного колебания.
Между вторым моментом 320 времени и третьим моментом 330 времени вводимая в резонатор энергия должна снижаться. Для этого время между вторым моментом 320 времени и третьим моментом 330 времени разделяется на второй временной интервал 321, третий временной интервал 322, четвертый временной интервал 323 и пятый временной интервал 324. Временные интервалы 321, 322, 323, 324 предпочтительно имеют приблизительно одинаковую длину. В течение второго временного интервала 321 и четвертого временного интервала 323 резонатор возбуждается повышенной частотой 130. В течение третьего временного интервала 322 и пятого временного интервала 324 резонатор возбуждается пониженной частотой 120. Следовательно, между вторым моментом 320 времени и третьим моментом 330 времени в резонаторе устанавливается резонаторное колебание с пониженной амплитудой 150. Таким образом, между вторым моментом 320 времени и третьим моментом 330 времени введенная в резонатор мощность меньше, чем между первым моментом 310 времени и вторым моментом 320 времени. Так как резонатор между вторым моментом 320 времени и третьим моментом 330 времени всегда возбуждается попеременно с повышенной частотой 130 и с пониженной частотой 120, то получающиеся при этом изменения 225, 235 фазового положении между возбуждением и резонаторным колебанием усредняются. Тем самым сохраняется фазовый сдвиг 201 между возбуждением и резонаторным колебанием во временном среднем при резонансном фазовом положении 210.
В схематичных представлениях на фиг. 3 и 4 резонатор возбуждается между вторым моментом 320 времени и третьим моментом 330 времени только в течение вторых временных интервалов 321, 323 с повышенной частотой 130 и в течение вторых временных интервалов 322, 324 с пониженной частотой 120. Предпочтительно временной интервал между вторым моментом 320 времени и третьим моментом 330 времени подразделяется на существенно больше отдельных временных интервалов с различными частотами 101 возбуждения. Пониженная частота 120 и повышенная частота 130 сменяются, таким образом, также существенно чаще.
Во время шестого временного интервала 331 между третьим моментом 330 времени и четвертым моментом 340 времени резонатор снова возбуждается с резонансной частотой 110. Тем самым резонаторное колебание между третьим моментом 330 времени и четвертым моментом 340 времени вновь принимает максимальную амплитуду 140. Между третьим моментом 330 времени и четвертым моментом 340 времени мощность, вводимая в резонатор, таким образом, снова становится максимальной.
Между четвертым моментом 340 времени и пятым моментом 350 времени вводимая в резонатор мощность должна уменьшаться еще дальше, чем между вторым моментом 320 времени и третьим моментом 330 времени. Это достигается тем, что резонатор между четвертым моментом 340 времени и пятым моментом 350 времени попеременно возбуждается с второй пониженной частотой 121 и с второй повышенной частотой 131. При этом вторая пониженная частота 121 отличается от резонансной частоты 110 на третью разность 126 частот. Вторая повышенная частота 131 отличается от резонансной частоты 110 резонатора на четвертую разность 136 частот.
Третья разность 126 частот и четвертая разность 136 частот имеют различные знаки и примерно совпадающие величины. Величина третьей разности 126 частот, однако, больше, чем величина первой разности 125 частот. Величина четвертой разности 136 частот больше, чем величина второй разности 135 частот. Из фиг. 1 видно, что за счет разностей 126, 136 частот, увеличенных по сравнению с разностями 125, 135 частот, мощность, вводимая в резонатор при возбуждении с второй повышенной частотой 131 и второй пониженной частотой 121, дополнительно уменьшается по отношению к возбуждению резонатора с пониженной частотой 120 и повышенной частотой 130.
В схематичном представлении на фиг. 3 и 4 временной интервал между четвертым моментом 340 времени и пятым моментом 350 времени разделяется на седьмой временной интервал 341, восьмой временной интервал 342, девятый временной интервал 343 и десятый временной интервал 344. Временной интервал между четвертым моментом 340 времени и пятым моментом 350 времени мог бы, однако, разделяться также на существенно большее число отдельных временных интервалов. Во время седьмого временного интервала 341 и девятого временного интервала 343 резонатор возбуждается с второй повышенной частотой 131. Во время восьмого временного интервала 342 и десятого временного интервала 344 резонатор возбуждается с второй пониженной частотой. Вследствие этого между четвертым моментом 340 времени и пятым моментом 350 времени в резонаторе устанавливается колебание с второй пониженной амплитудой 151. Вторая пониженная амплитуда 151 ниже, чем максимальная амплитуда 140, и также ниже, чем пониженная амплитуда 150. Таким образом, мощность, вводимая в резонатор между четвертым моментом 340 времени и пятым моментом 350 времени, меньше, чем в течение любого другого времени между первым моментом 310 времени и четвертым моментом 340 времени.
За счет того, что третья разность 126 частот и четвертая разность 136 частот имеют примерно одинаковые величины, при этом вторая пониженная частота 121 и вторая повышенная частота 131 расположены примерно симметрично относительно резонансной частоты 110, изменения фазового положения, устанавливающиеся из-за возбуждения резонатора с второй пониженной частотой 121 и второй повышенной частотой 131 между возбуждением и резонаторным колебанием, компенсируются во временном среднем между четвертым моментом 340 времени и пятым моментом 350 времени.
Таким образом, способ, поясненный со ссылками на фиг. 1-4, обеспечивает возможность управления мощностью резонатора. В этом способе не требуется варьировать амплитуду возбуждения, с которой возбуждается резонатор. Вместо этого варьируется частота, с которой возбуждается резонатор. Если резонатор возбуждается на своей резонансной частоте, вводимая в резонатор мощность максимальна. Если резонатор возбуждается на частоте, отличающейся от его резонансной частоты, то мощность, вводимая в резонатор, снижается, причем в общем случае также изменяется сдвиг фазы между возбуждением и резонаторным колебанием. Однако если резонатор быстро попеременно возбуждается с двумя различными частотами, которые лежат примерно симметрично относительно резонансной частоты, то получающиеся в результате сдвиги фазы усредняются. Чем дальше от резонансной частоты резонатора лежат обе частоты возбуждения, тем сильнее снижается вводимая в резонатор мощность. Способ функционирует тем лучше, чем выше добротность резонатора. Вариация частоты возбуждения может осуществляться посредством нагружения частоты возбуждения фазовым флуктуациями.
Фиг. 5 показывает в схематичном представлении примерное резонаторное устройство 500, которое пригодно для осуществления описанного способа. Резонаторное устройство 500 может быть, например, резонаторным устройством ускорителя частиц для ускорения электрически заряженных частиц.
Резонаторное устройство 500 содержит резонатор 510. резонатор 510 в показанном примере выполнен как RF объемный резонатор. Резонатор 510 в показанном примере представляет собой так называемый резонатор-«таблетку» с цилиндрической формой. Боковая поверхность цилиндрического резонатора 510 образована металлической резонаторной стенкой 520.
В резонаторе 510 может возбуждаться электромагнитное колебание. Для этого стенка 520 резонатора имеет окружную щель 530, в которой размещен электрически изолирующий материал. Над щелью 530 размещено устройство возбуждения, предпочтительно твердотельный переключатель. Посредством устройства 540 возбуждения между обоими участками резонаторной стенки 520, отделенными друг от друга щелью 530, индуцируется высокочастотный электрический ток, благодаря чему в резонаторе 510 возбуждается резонаторное колебание.
Устройство 540 возбуждения выполнено таким образом, чтобы возбуждать резонатор 510 согласно вышеописанному способу. Устройство 540 возбуждения варьирует для управления вводимой в резонатор 510 мощностью частоту напряжения, приложенного чрез щель 530 резонаторной стенки 520. Амплитуда выходного сигнала устройства 540 возбуждения при этом остается постоянной. Это имеет преимущество, заключающееся в том, что устройство 540 возбуждения может быть выполнено с постоянной усилительной цепью, которая не должна быть изменяемой. За счет этого предпочтительным образом получается простая структура устройства 540 возбуждения. Кроме того, это предпочтительным образом обеспечивает возможность выполнения устройства 540 возбуждения с высоким кпд.
Хотя изобретение было подробно проиллюстрировано и описано посредством предпочтительного примера выполнения, изобретение не ограничивается раскрытыми примерами. Специалистом в данной области техники на этой основе могут быть выведены другие варианты без отклонения от объема защиты изобретения.