ВЧ УСТРОЙСТВО И УСКОРИТЕЛЬ С ТАКИМ ВЧ УСТРОЙСТВОМ
HF DEVICE AND ACCELERATOR WITH HF DEVICE

Изобретение относится к высокочастотному (ВЧ) устройству с ограниченным внешней стенкой ВЧ резонатором и с размещенным на внешней стенке устройством ввода, имеющим ВЧ генератор и экран. При этом ВЧ генератор вводит через образованную во внешней стенке щель электромагнитное поле внутрь ВЧ резонатора. При этом экран выполнен резонансным и имеет на частоте генератора высокий импеданс. Кроме того, изобретение относится к ускорителю частиц с по меньшей мере одним таким ВЧ устройством.
В случае ВЧ резонаторов, которые служат в качестве резонаторов для ВЧ электромагнитных полей, речь идет о типично полых телах с электрически проводящей внешней стенкой. Расположенный вне резонатора ВЧ генератор генерирует электромагнитное излучение высокой частоты, которое вводится через отверстие во внешней стенке резонатора внутрь резонатора. Посредством генерируемых генератором электромагнитных переменных полей, в том числе, индуцируются переменные токи, которые распространяются вдоль токовых путей, имеющихся на внутренней стороне внешней стенки. В зависимости от частоты генератора и волновых свойств резонатора внутри ВЧ резонатора могут возникать различные резонансные моды. В общем случае из-за размещения ВЧ генератора вне резонатора также индуцируются токи на внешней стороне внешней стенки, за счет которых вводимая в резонатор мощность и тем самым эффективность резонатора может снижаться.
Поэтому задачей изобретения является обеспечить по возможности эффективный ввод ВЧ излучения в ВЧ резонатор. Эта задача решается ВЧ устройством согласно пункту 1 формулы изобретения, а также ускорителем частиц согласно пункту 11 формулы изобретения.
Другие предпочтительные формы выполнения изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с изобретением предусмотрено ВЧ устройство, включающее в себя ВЧ резонансное устройство с электрически проводящей внешней стенкой, причем внешняя стенка имеет щель, проходящую вдоль ее периметра. ВЧ устройство также содержит устройство ввода с ВЧ генератором, размещенным на внешней стороне внешней стенки ВЧ резонансного устройства в зоне щели для ввода ВЧ излучения определенной частоты через щель внутрь ВЧ резонансного устройства, и с экраном, экранирующим генератор наружу и электрически перекрывающим щель на внешней стороне внешней стенки. При этом экран выполнен как резонатор с высоким импедансом для частоты генератора. Высокий импеданс обуславливает то, что меньший ток протекает через экран. Выполнение экрана в форме резонатора обеспечивает при этом особенно простым способом высокие импедансы и тем самым очень эффективный ввод ВЧ излучения в резонансное устройство. Так как вследствие экрана не возникает никаких ВЧ токов на внешней стенке резонатора, в целом обращение с ВЧ устройством является более безопасным. Кроме того, ВЧ резонатор, поддерживаемый на потенциале массы, можно комбинировать с другими устройствами более совместимым образом.
Одна форма выполнения предусматривает, что выполненный резонансным экран настроен на резонансную частоту, отличающуюся от частоты генератора. Тем самым волноводное сопротивление и тем самым поведение резонансного экрана может устанавливаться любым образом при эксплуатации в зависимости от применения.
Другая форма выполнения предусматривает, что экран настроен на резонансную частоту выше частоты генератора. Тем самым эффективно предотвращается то, что на частоте генератора в экране, выполненном как резонатор, возникает резонансная мода с низким импедансом.
Согласно другой форме выполнения предусмотрено, что емкостные и индуктивные свойства экрана настроены таким образом, что в экране на частоте генератора образуется стоячая электромагнитная волна с узлом тока в зоне щели. Тем самым достигается по возможности высокий импеданс экрана со стороны входа.
В другой форме выполнения предусмотрено, что электрическая длина проводника экрана по существу составляет четверть длины волны генерируемой генератором электромагнитной волны. Эта длина проводника представляет особенно благоприятную форму выполнения, так как настройка экрана в этом случае производится наиболее просто.
Другая форма выполнения предусматривает, что ВЧ резонансное устройство выполнено как ВЧ резонатор. ВЧ резонаторы, ввиду их высокой добротности, особенно хорошо подходят для формирования резонансных электромагнитных волн.
Другая форма выполнения предусматривает, что ВЧ резонансное устройство выполнено как коаксиальное проводящее соединение. Такие коаксиальные волноводы могут использоваться особенно гибким образом.
В другой форме выполнения предусмотрено, что генератор содержит несколько транзисторных модулей, размещенных распределенным образом по периметру ВЧ резонансного устройства. С помощью таких транзисторных модулей электромагнитные поля могут вырабатываться непосредственно на резонансном устройстве. Это обеспечивает возможность особенно эффективного ввода электромагнитного излучения.
В другой форме выполнения предусмотрено, что щель ограничена двумя противолежащими фланцами внешней стенки ВЧ резонансного устройства, причем транзисторные модули размещены в выемках внутри обоих фланцев. Это специальное расположение транзисторных модулей обеспечивает возможность особенно эффективного ввода переменных токов в ВЧ резонансное устройство.
В соответствии с изобретением, кроме того, предусмотрен ускоритель частиц с по меньшей мере одним соответствующим ВЧ устройством. С помощью такого ускорителя частиц могут вырабатываться особенно сильные электромагнитные поля.
В одной форме выполнения предусмотрено, что ускоритель частиц имеет несколько включенных друг за другом ВЧ резонаторов. За счет взаимного соединения ВЧ резонаторов особенно просто повышаются напряженности формируемых электромагнитных полей.
Изобретение далее описывается более подробно со ссылками на чертежи.
Фиг.1 и 2 схематично показывают цилиндрический ВЧ резонатор с размещенным вдоль его периметра устройством ввода для ввода ВЧ излучения в ВЧ резонатор,
фиг.3 - продольное сечение ВЧ резонатора по фиг.1 с детальным представлением устройства ввода,
фиг.4 - поперечное сечение показанного на фиг.3 ВЧ устройства вдоль линии IV-IV,
фиг.5 - упрощенное представление модели экрана, служащего в качестве волновода для ВЧ излучения,
фиг.6 - диаграмма распределения тока для наглядного представления сил тока, возникающих вдоль экрана, выполненного как λ/4-волновод, с узлом тока, лежащим в зоне щели.
фиг.7 - ВЧ устройство с выполненным как коаксиальный проводник ВЧ резонансным устройством и
фиг.8 - ускоритель частиц, выполненный посредством соединения вместе нескольких ВЧ резонаторов.
На фиг.1 показан вид сбоку соответствующего изобретению ВЧ устройства 100. Устройство 100 включает в себя цилиндрический ВЧ резонатор 110 с металлической внешней стенкой, который служит в качестве резонансного устройства для ВЧ излучения определенной частоты. Вдоль периметра ВЧ резонатора 110 размещено устройство 130 ввода для ввода ВЧ мощности в ВЧ резонатор 110.
На фиг.2 показано ВЧ устройство 100 по фиг.1 на виде спереди. При этом ясно видно, что устройство 130 ввода продолжается по всему периметру ВЧ резонатора 110. В зависимости от применения устройство 130 ввода может также продолжаться только по части периметра ВЧ резонатора 110. Кроме того, могут также размещаться несколько таких устройств 130 ввода, продолжающихся только по части периметра, то есть расположенных только на участках, вдоль периметра ВЧ резонатора 110.
Устройство 130 ввода далее поясняется более подробно с помощью представленных сечений. Для этого на фиг.3 показано продольное сечение, а на фиг.4 - поперечное сечение показанного на фиг.1 соответствующего изобретению ВЧ устройства 100.
Как показано на фиг.3, металлическая внешняя стенка 111 ВЧ резонатора 110 в зоне устройства 130 ввода имеет продолжающуюся вдоль периметра ВЧ резонатора 110 щель 114. Щель 114 разделяет внешнюю стенку 111 в описываемом далее примере на первый и второй участки 115, 116 стенки. Внутри щели 114 размещено изолирующее кольцо 120 из электрически непроводящего материала. Кольцеобразная изоляция 120 может одновременно создавать вакуумное уплотнение. Концы обоих участков 115, 116 стенки выполнены, соответственно, в форме фланца 117, 118.
G
Размещенное на внешней стороне 113 внешней стенки 111 резонатора устройство 130 ввода содержит расположенный в зоне щели 114 генератор 131, а также полностью окружающий генератор металлический экран 134. При этом генератор 131, выполненный с возможностью генерации ВЧ излучения определенной частоты F, содержит предпочтительно несколько расположенных распределенным образом вдоль периметра транзисторных модулей 132. При этом отдельные транзисторные модули 132 размещены в специальных выемках в обоих фланцах 117, 118 и находятся поэтому в непосредственном контакте с внешней стенкой 111. Это размещение обеспечивает более высокую ВЧ мощность, так как, с одной стороны, площадь для ввода ВЧ излучения относительно велика, а с другой стороны, генерация ВЧ излучения осуществляется непосредственно там, где требуется мощность.
Как показано на фиг.3, транзисторные модули 132 соединены через соединительные проводники 133 с не показанным здесь источником постоянного тока или управляющим устройством. При активировании твердотельные транзисторы модуля 132 вырабатывают электромагнитные переменные поля, которые, в свою очередь, индуцируют распространяющиеся вдоль внешней стенки 11 переменные токи. Ввиду высокой частоты переменные токи возникают при этом только в относительно тонких краевых слоях на внутренней и внешней сторонах металлической внешней стенки 111. Чтобы достигнуть того, чтобы по возможности больше индуцированных переменных токов распространялось вдоль внутренней стенки 112 ВЧ резонатора 110, предусмотрено выполнение импеданса радиочастотного (РЧ) пути на внешней стенке 113 резонатора 110 по возможности высоким. Это достигается специально выполненным экраном 134, а также щелью 114, которая образует высокий импеданс на резонансной частоте ВЧ резонатора 110. Например, применение ребристого экрана обуславливает высокий импеданс РЧ пути на внешней стороне 113 резонатора 110, так что токи вынуждены протекать по внутренней стороне.
Для того чтобы воспрепятствовать распространению ВЧ токов вдоль внешней стороны 113 внешней стенки 111, экран 134 электрически соединен с внешней стенкой 111. Как представлено на фиг.3, металлический экран 134 электрически перекрывает щель 114 и таким образом представляет короткое замыкание между обоими участками 115, 116 стенки. Так как индуцированные переменные токи возникают только в краевом слое внешней стенки 111, в то время как внутренняя область металлической внешней стенки 111 по существу свободна от тока и поля, за счет созданного экраном короткого замыкания оказывается влияние только на переменный ток, распространяющийся вдоль внешней стороны 113 внешней стенки 111 резонатора. Так индуцированные на внешней стороне 113 внешней стенки 111 резонатора токи распространяются вдоль внутренней стороны 135 образующих экран 134 металлических листов 136, 137, 138, в то время как внешняя стенка 111 резонатора вне экрана 134 практически свободна от тока и напряжения. Чтобы оптимизировать ввод ВЧ токов внутрь ВЧ резонатора 110, резонатор 134 выполнен резонансным. Для этого волноводные свойства устройства 130 ввода настроены таким образом, что для распространяющихся внутри экрана 134 переменных токов в зоне щели 114 получается по возможности высокий импеданс.
Фиг.4 показывает сечение вдоль линии IV-IV показанного на фиг.3 ВЧ резонатора 100. Отсюда видно, что размещенные вдоль периметра внешней стенки 111 резонатора 110 транзисторные модули 132 помещены в соответствующих выемках фланцев 117, 118.
Фиг.5 показывает сильно упрощенную эквивалентную схему экрана 134. При этом экран 134 рассматривается как короткозамкнуый волновод. В этом случае оба левых вывода 131, 137 соответствуют точкам ввода ВЧ излучения в зоне щели. Оба, верхний и нижний, участка 302, 306 проводника соответствуют обоим по существу симметричным токовым путям рассматриваемых здесь переменных токов вдоль внутренней стороны 135 экрана 134. При этом верхний участок 302 проводника образован по существу посредством левой боковой стенки 136 экрана 134, размещенной внутри экрана 134 части первого участка 115 внешней стенки, а также части верхней покрывающей стенки 137 экрана. Аналогично этому, нижний участок 306 проводника образован в показанной здесь эквивалентной схеме 300 посредством правой боковой стенки 136 экрана 134, размещенной внутри экрана 134 части второго участка 116 внешней стенки, а также части верхней покрывающей стенки 137 экрана 134. Емкость С определяется по существу посредством емкостных свойств устройства 130 ввода, которые зависят как от геометрии выполненного, например, из меди экрана 134, так и от свойств материала окруженного экраном 134 объема пространства. Напротив, показанная на эквивалентной схеме индуктивность L зависит, в том числе, от электрической длины проводника, которая, в свою очередь, зависит от различных факторов, таких как, например, геометрическая длина проводника. При этом полная индуктивность определяется индуктивностями отдельных участков проходимого током участка пути. Как показано на фиг.5 пунктирной линией 304, представленная здесь эквивалентная схема 300 со стороны выхода является короткозамкнутой, так как обе в следующем случае симметричные длины проводников электрически соединены друг с другом через покрывающий элемент 138 экрана 134. При этом отношение электрической длины проводника для короткозамкнутого проводника к длине волны λ генерируемого генератором 131 ВЧ излучения определяет, ведет ли себя U-образный проводник как емкость, индуктивность или колебательный контур. В специальном случае когда электрическая длина проводника составляет четверть длины волны λ волн тока, распространяющихся на внутренней стороне экрана 134, схема образует параллельный колебательный контур с резонансными длинами волн λ, λ/3, λ/5 и т.д. В случае экрана 134, настроенного на четверть длины волны λ, для токовой составляющей электромагнитной волны устанавливается узел тока в зоне щели 114. В резонансном случае входной импеданс образованного экраном резонансного контура стремится к бесконечности, так что рассеиваемая генератором ВЧ мощность почти полностью вводится в ВЧ резонатор, имеющий минимально возможный импеданс. Длина проводника экрана не должна, однако, оптимально настраиваться на λ/4. В зависимости от применения может уже быть достаточным, если входной импеданс образованного экраном колебательного контура заметно выше, чем входной импеданс ВЧ резонатора. Также в этом случае индуцированный ток будет преимущественно распространяться на внутренней стороне 112 внешней стенки 111. Тем самым можно реализовать оптимальный ввод ВЧ мощности в ВЧ резонатор.
0
1
Фиг.6 показывает для пояснения характеристику тока вдоль образованного экраном 134 λ/4-проводника. Здесь становится ясным, что сила тока изменяется синусоидально, с минимумом на входе (х) и максимумом (х) на конце проводника.
Представленный здесь принцип изобретения может в принципе переноситься на все ВЧ резонаторы, например, на коаксиальном проводнике или проходном резонаторе. Так на фиг.7 показано ВЧ устройство, в котором показанное перед этим в связи с ВЧ резонатором устройство 130 ввода применяется для ввода электрической энергии в коаксиальное проводящее соединение. Как показано на фиг.7, генератор 131, а также экран 134, окружающий генератор, продолжаются вдоль внешнего периметра внешнего проводника 111 коаксиального соединения 110. В показанном здесь представлении в сечении также показан типичный для коаксиальных соединений внутренний проводник 120.
Для того чтобы достичь высоких ВЧ мощностей, несколько представленных на фиг.1-4 ВЧ резонаторов могут быть включены друг за другом. Фиг.8 показывает последовательное включение всего четырех ВЧ резонаторов 100. Полученное таким образом устройство 200 служит в следующем примере выполнения в качестве укорителя частиц. Отдельными резонаторами можно при этом управлять по отдельности. Для этого устройства 130 ввода четырех ВЧ резонаторов 100 через отдельные проводники связаны с общим устройством 210 управления и питания. Так как пристеночные токи могут распространяться только вдоль внутренней стороны стенок резонаторов, включенные друг с другом вместе резонаторы 110 на внешней стороне развязаны один от другого на РЧ. Поэтому они, несмотря на соединение по постоянному току, могут управляться независимо друг от друга.
Изобретение не ограничено показанными для примера формами выполнения. Напротив, соответствующий изобретению принцип может применяться в любой подходящей РЧ структуре, при которой пристеночные токи вводятся внутрь и должны экранироваться в направлении наружу.