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 16 формулы изобретения.
Известно формирование ВЧ мощности с помощью тетродов, клистронов или других устройств. Кроме того, известно направление ВЧ мощности с помощью волноводов, например, полых проводников. Известные решения предусматривают, что ВЧ мощность генерируется в одном месте, и затем с помощью волновода транспортируется во второе место, где ВЧ мощность, например, с помощью демпфирующего звена или индуктивного элемента связи вводится в 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, в 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 16 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Соответствующий изобретению ВЧ генератор содержит полый проводник с проводящей стенкой, которая имеет первую щель. При этом первый твердотельный переключатель размещен над первой щелью, чтобы высокочастотное электрическое напряжение прикладывать над первой щелью. Предпочтительным образом в этом ВЧ генераторе ВЧ мощность непосредственно возбуждается в транспортирующем ВЧ мощность полом проводнике. За счет этого снижается 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 образом полый проводник имеет круговое поперечное сечение. Предпочтительным образом полые проводники с круговым поперечным сечением имеют особенно подходящие моды колебаний.
В другой форме выполнения полый проводник имеет прямоугольное поперечное сечение. Предпочтительным образом также полые проводники с прямоугольным поперечным сечением пригодны для передачи ВЧ колебаний.
Предпочтительным образом ВЧ генератор выполнен с возможностью возбуждения в полом проводнике ТЕ10-моды колебаний.
Целесообразно, что первый твердотельный переключатель размещен в экранирующем корпусе. Предпочтительным образом за счет этого снижается излучение ВЧ мощности.
В дальнейшем развитии ВЧ генератора он содержит устройство управления фазой, которое выполнено с возможностью формирования первого сигнала управления фазой. При этом ВЧ генератор выполнен с возможностью подачи первого сигнала управления фазой на первый твердотельный переключатель. Предпочтительным образом твердотельный переключатель может тогда выдаваемое ВЧ напряжение синхронизировать с сигналом управления фазой.
В предпочтительной форме выполнения ВЧ генератора второй твердотельный переключатель размещен над первой щелью. Предпочтительным образом тогда может вырабатываться больше ВЧ мощности. Также возможно дополнительные твердотельные переключатели разместить параллельно первому и второму твердотельным переключателям над первой щелью, чтобы дополнительно повысить вырабатываемую ВЧ мощность.
Предпочтительным образом первый и второй твердотельные переключатели размещены в общем экранирующем корпусе. Предпочтительным образом за счет экранирующего корпуса тогда снижается излучаемая твердотельным переключателем ВЧ мощность.
Целесообразно, что ВЧ генератор выполнен с возможностью подачи первого сигнала управления фазой также на второй твердотельный переключатель. Предпочтительным образом первый и второй твердотельные переключатели могут тогда синхронно друг с другом и с сигналом управления фазой вводить ВЧ мощность в полый проводник.
В дальнейшем развитии ВЧ генератора стенка имеет вторую щель, причем над второй щелью размещен третий твердотельный переключатель. Предпочтительным образом можно тем самым повысить вырабатываемую ВЧ генератором ВЧ мощность.
В альтернативной форме выполнения ВЧ генератора третий твердотельный переключатель размещен над первой щелью. Предпочтительным образом тем самым также можно повысить вырабатываемую ВЧ генератором ВЧ мощность.
Целесообразно, что третий твердотельный переключатель размещен во втором экранирующем корпусе. Предпочтительным образом за счет этого тогда также снижается излучаемая третьим твердотельным переключателем ВЧ мощность.
В дополнительном дальнейшем развитии ВЧ генератора устройство управления фазой выполнено с возможностью формирования второго сигнала управления фазой, причем ВЧ генератор выполнен с возможностью подачи второго сигнала управления фазой на третий твердотельный переключатель. Предпочтительным образом второй твердотельный переключатель может тогда выдавать ВЧ электрическое напряжение синхронно со вторым сигналом управления фазой.
о
Особенно предпочтительно, если устройство управления фазой выполнено с возможностью формирования первого сигнала управления фазой и второго сигнала управления фазой со сдвигом фазы 180 по отношению друг к другу.
В дальнейшем развитии ВЧ генератора полый проводник связан с резонатором. Предпочтительным образом ВЧ мощность, выработанная ВЧ генератором, может тогда направляться в резонатор.
Соответствующий изобретению ускоритель частиц имеет ВЧ генератор вышеуказанного типа. Предпочтительным образом выработанная ВЧ генератором ВЧ мощность применяется тогда для ускорения заряженных частиц.
Изобретение поясняется более подробно с помощью приложенных чертежей, на которых показано следующее:
Фиг.1 - первое пространственное представление ВЧ генератора согласно первой форме выполнения;
Фиг.2 - второе пространственное представление ВЧ генератора согласно второй форме выполнения;
Фиг.3 - представление в сечении ВЧ генератора первой формы выполнения;
Фиг.4 - вид в плане ВЧ генератора первой формы выполнения;
Фиг.5 - первое пространственное представление ВЧ генератора согласно второй форме выполнения;
Фиг.6 - второе пространственное представление ВЧ генератора согласно второй форме выполнения;
Фиг.7 - представление в сечении ВЧ генератора второй формы выполнения, и
Фиг.8 - вид в плане ВЧ генератора второй формы выполнения.
Фиг.1 показывает схематичное пространственное представление 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.
ВЧ генератор 100 содержит полый проводник 200. Полый проводник 200 выполнен, по существу, в виде полого цилиндра и состоит из электропроводного материала, предпочтительно из металла. Осевое направление цилиндрического полого проводника 200 устанавливает продольное направление 201. Перпендикулярно продольному направлению 201 продолжается радиальное направление 202. Полый проводник 200 имеет круговое поперечное сечение. Однако полый проводник 200 может также иметь эллиптическое или другое поперечное сечение.
Поверхность оболочки цилиндрического полого проводника 200 образована стенкой 250. Если в полом проводнике 200 возбуждается электромагнитная мода колебаний, то в стенке 250 протекают зависимые от места и времени электрические токи. Пространственная и временная характеристика этих электрических токов зависит от возбуждаемой в полом проводнике 200 моды колебаний, может быть вычислена и известна специалистам.
Стенка 250 полого проводника 200 ВЧ генератора 100 имеет первую щель 210 и вторую щель 220. Щели 210, 220 размещены в положениях на стенке 250, в которых протекает большой электрический ток, если в полом проводнике 200 возбуждается желательная мода колебаний. При этом ориентация щелей 210, 220 перпендикулярна направлению протекания тока. В представленном примере щели 210, 220 параллельны продольному направлению 201. Щели 210, 220 могут быть также ориентированы иным образом.
У первой щели 210 в стенке 250 полого волновода 200 размещена первая группа твердотельных переключателей. В представленном примере первая группа 300 содержит первый твердотельный переключатель 310 и второй твердотельный переключатель 320. Однако первая группа 300 может также содержать только первый твердотельный переключатель 310. Однако, как правило, первая группа 300 содержит по меньшей мере два твердотельных переключателя 310, 320.
Твердотельные переключатели 310, 320 содержат, соответственно, первый выходной вывод 311 и второй выходной вывод 312 (фиг.3) и выполнены с возможностью прикладывать между выходными выводами 311, 312 ВЧ электрическое напряжение и коммутировать ВЧ электрический ток. Твердотельные переключатели 310, 320 могут для этого иметь, например, твердотельные транзисторы. Однако твердотельные переключатели 310, 320 могут также быть выполнены иным образом. Понятие «твердотельный переключатель» не следует в этом смысле толковать ограничительно.
Первый твердотельный переключатель 310 и второй твердотельный переключатель 320, таким образом, соединены, соответственно, с участком стенки 250 на первой стороне 211 первой щели 210 и участком стенки 250 на второй стороне 212 первой щели 210, что твердотельные переключатели 310, 320 могут прикладывать ВЧ электрическое напряжение через первую щель 210. Тем самым в стенке 250 могут возбуждаться протекающие электрические токи, которые, в свою очередь, возбуждают в полом проводнике 200 моду колебаний.
Над второй щелью 220 стенки 250 полого проводника 200 ВЧ генератора 100 размещена вторая группа 400 твердотельных переключателей, которая в показанном примере включает в себя третий твердотельный переключатель 410 и четвертый твердотельный переключатель 420. И вторая группа 400 может содержать больше или меньше, чем два твердотельных переключателя. Также посредством твердотельных переключателей 410, 420 второй группы 400 в стенке 250 полого проводника 200 могут возбуждаться электрические токи, которые, в свою очередь, возбуждают в полом проводнике 200 моду колебаний.
На виде в плане ВЧ генератора 100, показанном на фиг.4, можно видеть, что стенка 250 полого проводника 200 ВЧ генератора 100 содержит не видимую на фиг.1 третью щель 230 и не видимую на фиг.1 четвертую щель 240. Третья щель 230 противолежит первой щели 210 в радиальном направлении. Четвертая щель 240 противолежит второй щели 230 в радиальном направлении. Над третьей щелью 230 размещена третья группа 500 твердотельных переключателей. Над четвертой щелью 240 размещена четвертая группа 600 твердотельных переключателей.
Стенка 250 полого проводника 200 может содержать дополнительные щели, над которыми также размещены соответствующие группы твердотельных переключателей. При этом все щели размещены на стенке 250 полого проводника 200 таким образом, что с помощью твердотельных переключателей в стенке 250 могут возбуждаться токи, которые приводят к возбуждению желательной моды колебаний в полом проводнике 200.
Фиг.2 показывает другое схематичное пространственное представление ВЧ генератора 100. На фиг.2 показано, что первая группа 300 твердотельных переключателей 310, 320 размешена у первой щели 210 стенки 250 полого проводника 200 в первом экранирующем корпусе 330. Соответственно, твердотельные переключатели 410, 420 второй группы 400 размещены во втором экранирующем корпусе 430. Экранирующие корпусы 330, 430 состоят из электропроводного материала, предпочтительно из металла. Экранирующие корпусы электропроводно соединены со стенкой 250 и служат для того, чтобы экранировать электромагнитную мощность, излучаемую твердотельными переключателями 310, 320, 410, 420. За счет этого снижаются потери на излучение ВЧ генератора 100. Кроме того, за счет этого снижается возможное помеховое влияние ВЧ генератора 100 на другие приборы в окрестности ВЧ генератора 100.
В схематичном представлении на фиг.2 экранирующие корпусы 330, 430 в радиальном направлении 202 открыты наружу. Однако это представление выбрано только для наглядности. Предпочтительным образом экранирующие корпусы 330, 430 полностью окружают твердотельные переключатели 310, 320, 410, 420.
Третья группа 500 твердотельных переключателей, размещенная над третьей щелью 230, находится в третьем экранирующем корпусе 530. Четвертая группа 600 твердотельных переключателей, размещенная над четвертой щелью 240, находится в четвертом экранирующем корпусе 630.
Фиг.3 показывает в схематичном представлении перпендикулярное продольному направлению 201 сечение ВЧ генератора 100. Можно видеть выполненный как полый цилиндр полый проводник 200 с его стенкой 250. Стенка 250 имеет первую щель 210 и третью щель 230. Третья щель 230 противолежит первой щели 210 в радиальном направлении 202.
Над первой щелью 210 размещена первая группа 300 твердотельных переключателей 310, 320. Первая группа 300 твердотельных переключателей 310, 320 размещена в первом экранирующем корпусе 330. Можно видеть только первый твердотельный переключатель 310. Первый твердотельный переключатель 310 имеет первый выходной вывод 311 и второй выходной вывод 312. Первый выходной вывод 311 проводящим образом соединен с участком стенки 250 на первой стороне 211 первой щели 210, в то время как второй выходной вывод 312 электропроводно соединен с участком стенки 250 на второй стороне 212 первой щели 210. Второй твердотельный переключатель 320 и все другие первые твердотельные переключатели первой группы 300 имеют соответствующие выходные выводы 311, 312, которые, соответственно, соединены со стенкой 250. Это также справедливо для твердотельных переключателей остальных групп 400, 500, 600.
Фиг.4 показывает схематичный вид в плане ВЧ генератора 100. Можно видеть полый проводник 200 с первой группой 300 твердотельных переключателей 310, 320, второй группой 400 твердотельных переключателей 410, 420, третьей группой 500 твердотельных переключателей и четвертой группой 600 твердотельных переключателей.
Уже отмечалось, что электрические токи, протекающие в стенке 250 полого проводника 200, зависят от места и времени. Поэтому электрические токи, протекающие в местах щелей 210, 220, 230, 240 стенки 250, имеют в каждый момент времени фазовые положения, отличающиеся друг от друга. Поэтому группы 300, 400, 500, 600 твердотельных переключателей должны возбуждать электрические токи с различными фазовыми положениями. При этом твердотельные переключатели каждой отдельной группы 300, 400, 500, 600 должны переключать электрический ток синхронно друг с другом.
ВЧ генератор 100 имеет показанное схематично устройство 110 управления фазой, которое выполнено с возможностью формирования множества сигналов 111, 112, 113, 144 управления фазой. Сигналы 111, 112, 113, 114 управления фазой имеют, соответственно, одинаковую частоту, но отличающиеся друг от друга фазовые положения. Первый сигнал 111 управления фазой подается на первую группу 300 твердотельных переключателей. Второй сигнал 112 управления фазой подается на вторую группу 400 твердотельных переключателей. Третий сигнал 113 управления фазой подается на третью первую группу 500 твердотельных переключателей. Четвертый сигнал 114 управления фазой подается на четвертую группу 600 твердотельных переключателей. Если ВЧ генератор 100 содержит дополнительные группы твердотельных переключателей, которые размещены над другими щелями стенки 250 полого проводника 200, то устройство 110 управления фазой выдает дополнительные сигналы управления фазой, которые подаются на эти дополнительные группы твердотельных переключателей.
Каждый из твердотельных переключателей групп 300, 400, 500, 600 выполнен с возможностью коммутировать выдаваемое им через выходные выводы 311, 312 напряжение синхронно с подаваемым на него сигналом 111, 112, 113, 114 управления фазой. Твердотельные переключатели первой группы 300 возбуждают, таким образом, в стенке 250 электрический ток синхронно с первым сигналом 111 управления фазой. Твердотельные переключатели второй группы 400 возбуждают электрический ток синхронно со вторым сигналом 112 управления фазой. Твердотельные переключатели третьей и четвертой групп ведут себя соответствующим образом.
За счет выбора положений, в которых предусмотрены щели 210, 220, 230, 240 в стенке 250 полого проводника 200 и за счет выбора фазовых соотношений сигналов 111, 112, 113, 114 управления фазой по отношению друг к другу, устанавливается, какая мода колебаний может возбуждаться в полом проводнике 200 ВЧ генератора 100.
Также возможно, вместо отдельных щелей 210 и 220 или 230 и 240, предусмотреть одну сплошную щель на каждой стороне полого проводника 200. У каждой из щелей могут тогда размещаться одна или несколько групп твердотельных переключателей.
Фиг.5 показывает схематичное пространственное представление ВЧ генератора 1100 согласно второй форме выполнения. ВЧ генератор 1100 служит для генерации ВЧ электромагнитных волн с высокой мощностью. Также выработанная ВЧ генератором 1100 ВЧ мощность может, например, использоваться в ускорителе частиц для ускорения заряженных частиц.
ВЧ генератор 1100 содержит полый проводник 1200, который выполнен, по существу, в виде полого цилиндра и состоит из электропроводного материала, предпочтительно из металла. Осевое направление цилиндрического полого проводника 1200 устанавливает продольное направление 1201. Полый проводник 200 имеет прямоугольное поперечное сечение.
Поверхность оболочки цилиндрического полого проводника 1200 образована стенкой 1250. Если в полом проводнике 1200 возбуждается электромагнитная мода колебаний, то в стенке 1250 протекают зависимые от места и времени электрические токи, пространственные и временные характеристики которых могут быть вычислены и известны специалистам.
Стенка 1250 полого проводника 200 на проходящей в продольном направлении 1201 узкой стороне 1260 ВЧ генератора 100 имеет первую щель 1210. Не видимая на фиг.5, противолежащая узкой стороне 1260 другая узкая сторона полого проводника 1200 имеет третью щель 1230. Первая щель 1210 и третья щель 1230 проходят обе в продольном направлении 1201. Если в полом проводнике 1200 возбуждается электромагнитная мода колебания, то в стенке 1250 полого проводника 1200 протекают электрические токи, которые ориентированы перпендикулярно щелям 1210, 1230. Напротив, за счет возбуждения в стенке 1250 электрических токов, протекающих перпендикулярно щелям 1210, 1230, в полом проводнике 1200 могут возбуждаться электрические моды колебания.
На фиг.6 показано, что у первой щели 1210 размещена первая группа 1300 твердотельных переключателей, которая содержит первый твердотельный переключатель 1310, второй твердотельный переключатель 1320 и другие твердотельные переключатели. Первая группа 1300 твердотельных переключателей 1310, 1320 размещена в первом экранирующем корпусе 1330, который полностью окружает первую группу 1300 твердотельных переключателей. Кроме того, у первой щели 1210 размещена вторая группа 1400 твердотельных переключателей, которая содержит третий твердотельный переключатель 1410, четвертый твердотельный переключатель 1420 и другие твердотельные переключатели. Вторая группа 1400 твердотельных переключателей 1410, 1420 размещена во втором экранирующем корпусе 1430, который окружает вторую группу 1400 твердотельных переключателей во всех пространственных направлениях. Соответственно, у третьей щели 1320 размещена третья группа 1500 твердотельных переключателей в третьем экранирующем корпусе 1530, и четвертая группа 1600 твердотельных переключателей в четвертом экранирующем корпусе 1630.
В отличие от ВЧ генератора 100 первой формы выполнения, в ВЧ генераторе 1100 второй формы выполнения, таким образом, у каждой щели 1210, 1310 размещено несколько групп 1300, 1400, 1500, 1600 твердотельных переключателей. В качестве альтернативы, также было бы возможным вместо первой щели 1210 предусмотреть две отдельные щели, и первую группу 1300 разместить у первой из этих щелей, а вторую группу 1400 разместить у второй из этих щелей. Также третья щель 1230 могла бы быть заменена двумя или более отдельными щелями. Также было бы возможным, у первой щели 1210 и у третьей щели 1230 предусмотреть, соответственно, более чем две группы твердотельных переключателей. Каждая из групп 1300, 1400, 1500, 1600 может включать в себя любое число твердотельных переключателей.
Твердотельные переключатели ВЧ генератора 1100 второй формы выполнения соответствуют по структуре и способу работы твердотельным переключателям ВЧ генератора 100 первой формы выполнения.
Фиг.7 показывает в схематичном представлении сечение ВЧ генератора 1100. Можно видеть, что каждый из твердотельных переключателей групп 1300, 1400, 1500, 1600 соединен с участками стенки 1250 на обеих сторонах щели 1210, 1230, относящейся к соответствующей группе 1300, 1400, 1500, 1600, чтобы прикладывать ВЧ электрическое напряжение к соответствующей щели 1210, 1230. Структура ВЧ генератора 1100 соответствует структуре ВЧ генератора 100 первой формы выполнения.
Фиг.8 показывает схематичный вид в плане ВЧ генератора 1100. Можно видеть полый проводник 1200 с первой группой 1300 твердотельных переключателей 1310, 1320, второй группой 1400 твердотельных переключателей 1410, 1420, третьей группой 1500 твердотельных переключателей и четвертой группой 1600 твердотельных переключателей.
о
ВЧ генератор 1100 содержит, кроме того, устройство 110 управления фазой, которое уже пояснялось в связи с ВЧ генератором 100 первой формы выполнения. Электрические токи, протекающие в стенке 1250 полого проводника 1200, зависят от места и времени. Если, например, в полом проводнике 1200 возбуждается ТЕ10-мода колебания, то электрический ток, протекающий в месте первой группы 1300 твердотельных переключателей в любой момент времени, смещен по фазе на 180 относительно тока, протекающего в месте второй группы 1400 твердотельных переключателей. Соответствующее условие справедливо для третьей группы 1500 твердотельных переключателей и четвертой группы 1600 твердотельных переключателей.
Устройство 110 управления фазой выполнено с возможностью формирования сигналов 111, 112, 113, 114 управления фазой. Первый сигнал 111 управления фазой подается на первую группу 1300 твердотельных переключателей. Второй сигнал 112 управления фазой подается на вторую группу 1400 твердотельных переключателей. Третий сигнал 113 управления фазой подается на третью группу 1500 твердотельных переключателей. Четвертый сигнал 114 управления фазой подается на четвертую группу 1600 твердотельных переключателей.
о
о
Сигналы 111, 112, 113, 114 управления фазой имеют одинаковую частоту, но смещены по фазе относительно друг друга. Если в полом проводнике 1200 ВЧ генератора 1100 возбуждается, например, ТЕ10-мода колебания, то первый сигнал 111 управления фазой и второй сигнал 112 управления фазой сдвинуты по фазе относительно друг друга на 180. Соответственно, также третий сигнал 113 управления фазой и четвертый сигнал 114 управления фазой сдвинуты по фазе относительно друг друга на 180.
Электромагнитная мощность, возбужденная в полых проводниках 200, 1200 ВЧ генераторов 100, 1100, транспортируется в полых проводниках 200, 1200 в продольном направлении 201, 1201. На продольном конце соответствующего полого проводника 200, 1200 электромагнитная мощность может выводиться из полого проводника 200, 1200. Например, на продольном конце полого проводника 200, 1200 может находиться резонатор, в который вводится выработанная ВЧ генератором 100, 1100 ВЧ мощность. Подходящие элементы ввода известны из уровня техники. Выработанная ВЧ генератором 100, 1100 ВЧ мощность может также применяться в ускорителе частиц для ускорения заряженных частиц. В этом случае полый проводник 200, 1200 ВЧ генератора 100, 100 может быть связан с резонатором ускорителя частиц.