ВЧ РЕЗОНАТОР И УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ С ВЧ РЕЗОНАТОРОМ
HF RESONATOR AND PARTICLE ACCELERATOR WITH HF RESONATOR

Настоящее изобретение относится к высокочастотному (ВЧ) резонатору согласно п. 1 формулы изобретения, а также к ускорителю частиц для ускорения электрически заряженных частиц согласно пункту 11 формулы изобретения.
В ВЧ резонаторах могут возбуждаться высокочастотные электромагнитные колебания. ВЧ резонаторы могут также называться полыми резонаторами. ВЧ резонаторы применяются, например, в ускорителях заряженных частиц для ускорения электрически заряженных частиц.
Для возбуждения высокочастотного электромагнитного колебания в ВЧ резонаторе известно генерирование высокочастотной мощности, например, с помощью клистрона или тетрода, передача мощности посредством кабеля или волновода к ВЧ резонатору и там ввод ее посредством окна излучения или ВЧ антенны в ВЧ резонатор. В общем случае при этом типе возбуждения не достигаются высокие ВЧ мощности.
Из ЕР 0 606 870 А1 известно, что ВЧ резонатор оснащается проводящей стенкой и множеством твердотельных транзисторов, которые предусмотрены для того, чтобы индуцировать в стенке ВЧ резонатора протекание высокочастотного электрического тока и тем самым возбуждать высокочастотное электромагнитное колебание в ВЧ резонаторе. Возбуждение протекания тока происходит при этом путем приложения высокочастотного электрического напряжения через электроизолирующую окружную щель в стенке ВЧ резонатора.
Применение ВЧ резонаторов в ускорителях частиц для ускорения электрически заряженных частиц требует вакуумирования ВЧ резонатора до очень низкого давления. Оказалось, что заполненная диэлектрическим материалом электрически изолирующая прорезь в являющихся в остальном проводящими стенках ВЧ резонатора может быть герметизирована лишь с трудом и с высокими затратами. В частности, различные термические расширения проводящего и изолирующего материалов приводят к возникновению негерметичности.
Поэтому задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить ВЧ резонатор с лучшими возможностями вакуумирования. Эта задача решается ВЧ резонатором с признаками п. 1 формулы изобретения. Кроме того, задачей изобретения является предоставить ускоритель частиц с ВЧ резонатором с лучшими возможностями вакуумирования. Эта задача решается ускорителем частиц с признаками п. 11 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
ВЧ резонатор согласно изобретению имеет цилиндрическую полость из диэлектрического материала. При этом полость включает в себя первый цилиндрический участок, второй цилиндрический участок и диэлектрическое кольцо, соединяющее первый и второй участки. Внутренняя сторона первого цилиндрического участка имеет электропроводное внутреннее покрытие. Внутренняя сторона второго цилиндрического участка имеет электропроводное второе внутреннее покрытие. Между первым цилиндрическим участком и диэлектрическим кольцом размещено первое замкнутое покрытие. Между вторым цилиндрическим участком и диэлектрическим кольцом размещено электропроводное второе замкнутое покрытие. Первое замкнутое покрытие проводящим образом соединено с первым внутренним покрытием. Второе замкнутое покрытие проводящим образом соединено с вторым внутренним покрытием. Кроме того, ВЧ резонатор содержит устройство, которое предусмотрено для приложения высокочастотного электрического напряжения между первым замкнутым покрытием и вторым замкнутым покрытием. Предпочтительно, полость ВЧ резонатора одновременно служит в качестве вакуумного корпуса, изолятора и носителя электропроводного покрытия. В результате полость ВЧ резонатора предпочтительно может просто вакуумироваться и не требует никаких сложных требующих герметизации проемов и мест стыков. Так как можно обойтись, в частности, без металлокерамических соединений большой площади, не создается никаких проблем в связи с различными коэффициентами теплового расширения.
В одной форме выполнения ВЧ резонатора первое замкнутое покрытие и/или второе замкнутое покрытие выполнены в кольцевой форме. Предпочтительным образом, ВЧ мощность может вводиться в ВЧ резонатор по всей внешней окружности, что обеспечивает возможность особенно высоких мощностей возбуждения.
В альтернативной форме выполнения ВЧ резонатора первое замкнутое покрытие и/или второе замкнутое покрытие сформированы в виде множества электропроводных контактных штырей. Предпочтительным образом и в этой форме выполнения ВЧ мощность может вводиться в ВЧ резонатор во множестве мест внешней окружности, что обеспечивает возможность высоких мощностей возбуждения. Дополнительным преимуществом этой формы выполнения является то, что не требуются металлокерамические соединения большой площади, за счет чего полость может быть особенно надежно герметизирована.
Рациональным образом диэлектрическое кольцо ориентировано перпендикулярно продольному направлению полости. Предпочтительным образом тогда обеспечивается зеркальная и осевая симметрия ВЧ резонатора, за счет чего становится возможным возбуждение симметричных колебательных мод.
Также целесообразно, что диэлектрическое кольцо расположено в продольном направлении полости в середине полости. Предпочтительным образом это приводит к особенно симметричному выполнению полости.
В предпочтительной форме выполнения ВЧ резонатора устройство включает в себя твердотельный мощный транзистор. Предпочтительным образом с помощью твердотельного мощного транзистора вводимая в ВЧ резонатор ВЧ мощность может генерироваться вблизи места ввода. Кроме того, твердотельные мощные транзисторы позволяют переключать очень высокие ВЧ мощности, что обеспечивает возможность ввода в ВЧ резонатор очень высоких ВЧ мощностей.
В особенно предпочтительной форме выполнения ВЧ резонатора устройство содержит множество твердотельных мощных транзисторов, которые расположены в области диэлектрического кольца по окружности снаружи вокруг внешней полости. Предпочтительным образом обеспечение множества твердотельных мощных транзисторов позволяет возбуждать очень высокую ВЧ мощность в ВЧ резонаторе.
В предпочтительной форме выполнения ВЧ резонатора диэлектрический материал представляет собой стекло или керамику. Предпочтительным образом стекло и керамика имеют подходящие механические свойства для применения в качестве вакуумного корпуса.
Целесообразно, полость имеет форму кругового цилиндра. Предпочтительным образом полость, выполненная в круговой цилиндрической форме, обеспечивает возможность возбуждения колебательных мод, которые являются подходящими для ускорения заряженных частиц.
Предпочтительно, полость выполнена таким образом, чтобы вакуумироваться до давления воздуха, пониженного относительно внешней среды полости. Предпочтительным образом ВЧ резонатор может быть тогда использован для ускорения электрически заряженных частиц.
Соответствующий изобретению ускоритель частиц для ускорения электрически заряженных частиц включает в себя ВЧ резонатор вышеуказанного типа. Предпочтительным образом ВЧ резонатор в таком ускорителе частиц может вакуумироваться до низкого давления и при этом не имеет трудно герметизируемых мест стыков.
Описанные выше характеристики, признаки и преимущества настоящего изобретения, а также способы их достижения станут более очевидными и более понятными в связи со следующим описанием примеров осуществления, которые объяснены со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
Фиг. 1 - сечение ВЧ резонатора и
Фиг. 2 - сечение части стенки ВЧ резонатора.
На фиг. 1 показан ВЧ резонатор 100 в сильно схематизированном представлении. В ВЧ резонаторе 100 может возбуждаться высокочастотная электромагнитная колебательная мода. ВЧ резонатор 100 может, например, служить для ускорения электрически заряженных частиц в ускорителе частиц.
ВЧ резонатор 100 включает в себя полость 200, выполненную как полый цилиндр. В представлении на фиг. 1 полость 200 разрезана в плоскости чертежа. На фиг. 1, таким образом, показана только задняя половина полости 200.
Полость 200 состоит из первого участка 210 и второго участка 220. Каждый из участков 210, 220 также выполнен в виде полого цилиндра и открыт на соответствующей торцевой стороне. Открытые стороны участков 210, 220 соединены через кольцо 230 друг с другом, тем самым формируя полую цилиндрическую полость 200. Выполненная в форме полого цилиндра полость 200 определяет продольное направление 201 и радиальное направление 202, которое ориентировано перпендикулярно к продольному направлению 201.
Первый участок 210 полости 200 содержит первую покрывающую поверхность 260 в форме кругового диска полости 200. Второй участок 220 полости 200 содержит вторую покрывающую поверхность 270 также в форме кругового диска полости 200. Первая покрывающая поверхность 260 и вторая покрывающая поверхность 270 могут быть выполнены в альтернативной форме, иначе, чем в форме кругового диска. Первая покрывающая поверхность 260 и вторая покрывающая поверхность 270 могут быть выполнены, например, прямоугольными или эллиптическими.
Первая покрывающая поверхность 260 и вторая покрывающая поверхность 270 соответственно ориентированы перпендикулярно к продольному направлению 201 полости 200. Первая покрывающая поверхность 260 и вторая покрывающая поверхность 270 соединены друг с другом через боковую поверхность 280 полости 200. Боковая поверхность 280 образована частями первого участка 210, кольцом 230 и частями второго участка 220 полости 200. Боковая поверхность 280 ориентирована параллельно продольному направлению 201 полости 200. Кольцо 230 предпочтительно ориентировано перпендикулярно к продольному направлению 201. Предпочтительным образом кольцо 230 размещено посередине между первой покрывающей поверхностью 260 и второй покрывающей поверхностью 270. Кольцо 230 в продольном направлении 201 предпочтительно является узким по отношению к общей длине полости 200.
Полость 200 охватывает внутреннее пространство 290. Полость 200 имеет внутреннюю сторону 240, обращенную к внутреннему пространству 290, и внешнюю сторону 250, обращенную к окружающей среде полости.
Первый участок 210 полости 200, второй участок 220 полости 200 и кольцо 230 полости 200 состоят из электрически изолирующего диэлектрического материала. Предпочтительным образом первый участок 210, второй участок 220 и кольцо 230 выполнены из стекла или керамики. Выгодным образом стеклянные и керамические материалы являются достаточно прочными, чтобы выдерживать высокую разность давления между внутренним пространством 290 полости 200 и окружающей средой полости 200.
На внутренней стороне 240 первого участка 210 полости 200 размещено первое электропроводное внутреннее покрытие 310. На внутренней стороне 240 второго участка 220 полости 200 размещено второе электропроводное внутреннее покрытие 320. Первое внутреннее покрытие 310 и второе внутреннее покрытие 320 могут, например, состоять из металла. На внутренней стороне 240 кольца 230 не предусмотрено электропроводное покрытие. Тем самым в области кольца 230 полости 200 образуется внутренний зазор 330, посредством которого первое внутреннее покрытие 310 электрически изолировано от второго внутреннего покрытия 320.
На фиг. 2 показан разрез боковой поверхности 280 полости 200 в области кольца 230 и внутреннего зазора 330.
Между первым участком 210 полости 200 и кольцом 230 предусмотрено первое электропроводное замкнутое покрытие 315. Между кольцом 230 и вторым участком 220 полости 200 предусмотрено второе замкнутое электропроводное покрытие 325. Первое замкнутое покрытие 315 и второе замкнутое покрытие 325 могут, например, состоять из металла. Предпочтительным образом первое замкнутое покрытие 315 и второе замкнутое покрытие 325 состоят из того же материала, что и первое внутреннее покрытие 310 и второе внутреннее покрытие 320. Первое замкнутое покрытие 315 электропроводно соединено с первым внутренним покрытием 310. Второе замкнутое покрытие 325 электропроводно соединено со вторым внутренним покрытием 320. Первое замкнутое покрытие 315 проходит между внутренней стороной 240 и внешней стороной 250 полости 200. Также второе замкнутое покрытие 325 проходит между внутренней стороной 240 и внешней стороной 250 полости 200.
В одной форме выполнения первое замкнутое покрытие 315 и второе замкнутое покрытие 325 содержат соответственно один или несколько контактных штырей, которые проходят между внутренней стороной 240 и внешней стороной 250 полости 200. Если предусмотрено несколько контактных штырей, то они предпочтительно распределены в окружном направлении боковой поверхности 280 вокруг полости 200. Эта форма выполнения имеет то преимущество, что в результате получается только несколько малых контактных площадок между материалом замкнутого покрытия 315, 325 и материалом участков 210, 220 и кольца 230 полости 200. Тем самым области между первым участком 210 полости 200 и кольцом 230 и между кольцом 230 и вторым участком 220 полости 200 можно легко герметизировать. В частности, разные коэффициенты теплового расширения проводящего материала замкнутого покрытия 315, 325 и изолирующего материала участков 210, 220 и кольца 230 не приводят к повреждению уплотнения полости 200.
В альтернативной форме выполнения как первое замкнутое покрытие 315, так и второе замкнутое покрытие 325 выполнены как кольца, окружающие всю боковую поверхность 280 полости 200. Эта форма выполнения обеспечивает возможность ввода предпочтительным образом ВЧ мощности в полость 200 вдоль всей внешней окружности боковой поверхности 280 полости 200. Так как первое замкнутое покрытие 315 между первым участком 210 полости 200 и кольцом 230 полости 200 выполнено только как тонкий в продольном направлении 201 слой, в этой форме выполнения не возникает никаких проблем из-за различных коэффициентов теплового расширения материала первого замкнутого покрытия 315 и материала первого участка 210 и кольца 230 полости 200. Это также справедливо для второго замкнутого покрытия 325.
Полость 200 не имеет сложно уплотняемых стыковочных мест и, в частности, не имеет никаких крупномасштабных металлокерамических переходов. Таким образом, полость 200 может вакуумироваться с небольшими затратами до давления, сниженного по отношению к давлению воздуха в окружающей среде полости 200. Для вакуумирования полости 200 полость 200 может иметь один или несколько подходящих фланцев. Первая покрывающая поверхность 260 и вторая покрывающая поверхность 270 полости могут также иметь соответствующие отверстия или окна, через которые пучок заряженных частиц может входить во внутреннее пространство 290 полости 200 и выходить из внутреннего пространства 290 полости 200.
На внешней стороне 250 полости 200 первое замкнутое покрытие 315 и второе замкнутое покрытие 325 могут электрически контактировать, чтобы прикладывать электрическое напряжение между первым замкнутым покрытием 315 и вторым замкнутым покрытием 325. С этой целью ВЧ резонатор 100 имеет приводное устройство 500, которое показано на фиг. 1 и 2 лишь схематично. Приводное устройство 500 предусмотрено для того, чтобы вводить высокочастотную электромагнитную мощность в полость 200 ВЧ резонатора 100. Приводное устройство 500 выполнено так, чтобы прикладывать высокочастотное электрическое переменное напряжение между первым замкнутым покрытием 315 и вторым замкнутым покрытием 325 и, таким образом, также между первым внутренним покрытием 310 и вторым внутренним покрытием 320. Приводное устройство 500 предпочтительно содержит твердотельный мощный транзистор или другой твердотельный переключатель. Особенно предпочтительно, приводное устройство 500 содержит множество твердотельных мощных транзисторов, которые расположены по окружности на внешней стороне 250 боковой поверхности 280 полости 200 в области кольца 230.
Если с помощью приводного устройства 500 высокочастотное переменное электрическое напряжение прикладывается между первым внутренним покрытием 310 и вторым внутренним покрытием 320, то в первом внутреннем покрытии 310 и втором внутреннем покрытии 320 возбуждаются высокочастотные электрические токи. Если частота переменного напряжения, приложенного посредством приводного устройства 500 между первым внутренним покрытием 310 и вторым внутренним покрытием 320, соответствует резонансной частоте ВЧ резонатора 100, то индуцированное протекание тока во внутренних покрытиях 310, 320 вызывает возбуждение резонансной высокочастотной колебательной моды во внутреннем пространстве 290 полости 200. Таким образом, это позволяет приводному устройству 500 емкостным способом вводить высокочастотную электромагнитную мощность 100 в полость 200 ВЧ резонатора для возбуждения и усиления резонансного высокочастотного колебания внутри полости 200.
Предпочтительно, полость 200 ВЧ резонатора 100 служит одновременно в качестве вакуумного корпуса и в качестве носителя для электропроводных внутренних покрытий 310, 320, которые образуют собственно резонатор.
Хотя изобретение было подробно проиллюстрировано и описано на предпочтительном примере выполнения, изобретение не ограничено раскрытыми примерами. Другие варианты могут быть получены на этой основе специалистом в данной области, не отступая от объема защиты настоящего изобретения.