ВЧ РЕЗОНАТОР И УСКОРИТЕЛЬ С ТАКИМ ВЧ РЕЗОНАТОРОМ
HF RESONATOR AND ACCELERATOR WITH SUCH HF RESONATOR

Изобретение относится к высокочастотному (ВЧ) резонатору, в который может вводиться ВЧ мощность для формирования электромагнитного поля внутри ВЧ резонатора. Кроме того, изобретение относится к ускорителю с подобным ВЧ резонатором. Подобные ускорители или подобные ВЧ резонаторы обычно применяются для ускорения заряженных частиц.
Известны ВЧ-резонаторы, которые могут возбуждаться для получения ВЧ резонанса, при этом ВЧ мощность вводится в ВЧ резонатор. Со своей стороны, ВЧ мощность генерируется удаленно от ВЧ резонатора, например с помощью клистрона, и транспортируется к ВЧ резонатору с помощью волновода. Альтернативно, также возможно ВЧ мощность вводить в резонатор с помощью антенны или индуктивного элемента связи.
В US 5497050 описана другая структура для ввода ВЧ мощности в ВЧ резонатор. Это осуществляется посредством множества твердотельных мощных транзисторов, которые встроены в проводящую стенку ВЧ резонатора.
Задачей изобретения является предоставить ВЧ резонатор, который может эксплуатироваться безопасным образом и который может использоваться безопасным образом вместе с другими приборами. Кроме того, задачей изобретения является создать ускоритель с подобным ВЧ резонатором, который обеспечивает возможность гибкого управления.
Задача изобретения решается признаками независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные формы выполнения изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Соответствующий изобретению ВЧ резонатор содержит
камеру,
окружающую камеру проводящую стенку, которая имеет внутреннюю сторону и внешнюю сторону, и
устройство переключения с множеством твердотельных переключателей, которые размещены по периметру стенки вокруг камеры,
причем твердотельные переключатели с проводящей стенкой соединены таким образом, что при активировании устройства переключения ВЧ токи индуцируются в проводящей стенке, за счет чего ВЧ мощность вводится в камеру ВЧ резонатора,
причем на внешней стороне проводящей стенки вдоль периметра ВЧ резонатора имеется экранирующее устройство, которое повышает импеданс пути распространения ВЧ токов вдоль внешней стороны стенки, так что введенные в стенку ВЧ токи подавляются на внешней стороне стенки.
В основе изобретения лежит знание о том, что структура ускорителя, как она охарактеризована в US 5497050, предпочтительна для того, чтобы высокие ВЧ мощности вводить в ВЧ резонатор. Площадь, через которую ВЧ мощность может быть введена, больше, по сравнению с конструкциями с вводом только в одном месте, так как транзисторы размещаются по всему периметру. К тому же генерация вводимой ВЧ мощности происходит в непосредственной близости от ВЧ резонатора, за счет чего снижаются потери.
Однако, кроме того, было выявлено, что данная конструкция может создавать проблемы. В частности, ВЧ мощность, которая вводится в стенку ВЧ резонатора, формирует на внешней стороне проводящей стенки сильные ВЧ токи. Эти ВЧ токи при высокой требуемой мощности представляют проблему во время эксплуатации.
За счет того что теперь предусматривается экранирующее устройство, с помощью которого импеданс на внешней стороне проводящей стенки повышается, заметно снижаются ВЧ токи, которые иначе распространялись бы вдоль пути распространения на внешней стенке, и в наилучшем случае даже полностью подавляются. Повышение импеданса на внешней стороне проводящей стенки имеет следствием то, что ВЧ токи, которые вводятся через непосредственное соединение твердотельных переключателей с проводящей стенкой, преимущественно или полностью распространяются на внутренней стороне проводящей стенки.
За счет этого достигается ряд преимуществ. Так как на внешней стороне стенки и на возможно имеющемся защитном кожухе вокруг транзисторов не распространяются никакие ВЧ токи, исключается испускание электромагнитного излучения от стенки вовне, которое в противном случае привело бы к снижению имеющейся в распоряжении мощности и, например, ввиду прерывания высокочастотного диапазона привело бы к нарушениям при эксплуатации.
Внешняя сторона проводящей стенки может теперь устанавливаться на потенциал массы, так что ВЧ резонатор может проще соединяться или связываться с другими устройствами и совместно использоваться. Внешняя сторона проводящей стенки на потенциале земли повышает безопасность при эксплуатации.
Обычно проводящая стенка имеет первый участок и второй участок, изолированный от первого участка. Экранирующее устройство включает в себя первую часть и вторую часть, причем первая часть сопоставлена с первым участком проводящей стенки, а вторая часть - с вторым участком проводящей стенки. Устройства переключения с твердотельными транзисторами предоставляют ВЧ мощность через щель между первым участком и вторым участком проводящей стенки. Изоляция между первым участком и вторым участком проводящей стенки может одновременно выполнять функцию вакуумного уплотнения.
Экранирующее устройство может различными способами реализовывать повышение импеданса. Так, экранирующее устройство может включать в себя ребристую проводящую структуру, ферритовое кольцо и/или λ/4 шлейф.
Предпочтительным образом проводящая стенка имеет на внешней стороне выемку, в которую по меньшей мере частично погружается экранирующее устройство.
В особенности посредством выемки в проводящей стенке может быть образован λ/4 шлейф. Таким образом, не требуется никакого дополнительного материала, чтобы достичь повышения импеданса. Заполнение выемки диэлектриком обеспечивает возможность настройки шлейфа на частоту ВЧ токов. Шлейф может размещаться компактным образом, если шлейф сложен, например, по типу спирали.
Твердотельные переключатели могут дополнительно быть окружены проводящим защитным кожухом, который соединен с внешней стороной проводящей стенки. За счет этого удается экранировать твердотельные переключатели от электромагнитного излучения. Место, в котором защитный кожух соединен с проводящей стенкой, может выбираться таким образом, что экранирующее устройство располагается между этим местом и местом, в котором осуществляется ввод ВЧ токов от твердотельных переключателей в проводящую стенку. Таким способом часть проводящей стенки, в которой могут протекать ВЧ токи на внешней стороне, находится внутри защитного кожуха.
Экранирующее устройство не должно обязательно размещаться в выемке проводящей стенки. Оно может также полностью или частично размещаться на внешней стороне проводящей стенки.
Экранирующее устройство может также быть образовано защитным кожухом, который окружает твердотельные переключатели и который соединен с проводящей стенкой. Защитный кожух соединен как с первым, так и со вторым участком проводящей стенки. Без ребер для повышения импеданса на внутренней стороне защитного кожуха защитный кожух без дополнительных мер, таких как дополнительное к защитному кожуху экранирующее устройство, представлял бы короткое замыкание между первым участком и вторым участком проводящей стенки. Посредством ребер достигается повышение импеданса в ВЧ области, которое устраняет его. К тому же посредством проводящего защитного кожуха достигается подавление ВЧ токов на внешней стороне стенки, так как распространение ВЧ токов на внешней стороне проводящей стенки предотвращается посредством мест контакта защитного кожуха с проводящей стенкой.
ВЧ резонатор может быть таким ВЧ резонатором, который, в частности, может использоваться для ускорения частиц. В особенности, несколько подобных ВЧ резонаторов могут быть включены друг за другом и, в особенности, управляться независимо один от другого.
За счет того что на внешней стороне ВЧ резонатора не протекают ВЧ токи, несколько таких ВЧ резонаторов могут быть включены друг за другом для образования ускорительного блока. ВЧ резонаторы, несмотря на связь друг с другом, в ВЧ диапазоне развязаны относительно друг друга. Связь относится только к составляющей постоянного тока (DC составляющей). На основе ВЧ развязки тогда имеется возможность управлять отдельными ВЧ резонаторами независимо друг от друга, за счет чего ускоритель может эксплуатироваться более гибко и может более гибко настраиваться на любое достижимое желательное ускорение. Настройка является более гибкой, чем в ускорителях, в которых ВЧ резонаторы в ВЧ диапазоне связаны друг с другом, так что управление ВЧ резонатором одновременно влияет на ВЧ поля в соседних ВЧ резонаторах.
Соответствующая изобретению структура для ввода ВЧ мощности и экранирования по отношению к внешней среде может также использоваться и в других ВЧ резонаторах, например, ВЧ резонатор может быть выполнен как коаксиальный электрический проводник или может размещаться в структуре проходного резонатора.
Формы выполнения изобретения с предпочтительными вариантами выполнения согласно признакам зависимых пунктов формулы изобретения более подробно поясняются со ссылками на чертежи, без ограничения ими. На чертежах показано следующее:
фиг.1 и фиг.2 - схематичный вид цилиндрического ВЧ резонатора с размещенным вдоль его периметра устройством ввода для ввода ВЧ мощности,
фиг.3 - продольное сечение ВЧ резонатора с детальным представлением устройства ввода, которое включает в себя экранирующее устройство, выполненное в виде ферритового кольца,
фиг.4 - поперечное сечение показанного на фиг.3 ВЧ резонатора вдоль линии III-III,
фиг.5 - увеличение части продольного сечения стенки ВЧ резонатора для представления экранирующего устройства, выполненного в виде λ/4 шлейфа,
фиг.6 и фиг.7 - соответствующее другое выполнение λ/4 шлейфа, показанного на фиг.5,
фиг.8 - продольное сечение ВЧ резонатора, в котором защитный кожух с внутренними ребрами, размещенный вокруг мощных транзисторов, служит в качестве экранирующего устройства,
фиг.9 - ВЧ резонатор, выполненный как коаксиальный проводник.
На фиг.1 показан вид сбоку ВЧ резонатора 11. Вокруг внешнего периметра ВЧ резонатора 11 размещено устройство 13 ввода для ввода ВЧ мощности в ВЧ резонатор 11. Фиг.2 показывает вид спереди ВЧ резонатора 11, показанного на фиг.1.
Устройство 13 ввода поясняется более подробно с помощью представленного на фиг.3 продольного сечения и представленного на фиг.4 поперечного сечения ВЧ резонатора 11, показанного на фиг.1 и фиг.2.
Фиг.3 показывает продольное сечение ВЧ резонатора 11. Представлена только одна сторона стенки ВЧ резонатора 11 в зоне, где находится устройство 13 ввода. Можно видеть проводящую стенку 15, которая имеет первый участок 21 и второй участок 23, которые изолированы друг от друга. Кольцеобразная изоляция 27 одновременно создает вакуумное уплотнение. Проводящая стенка 15 имеет внутреннюю сторону 19, которая ориентирована в полость ВЧ резонатора 11, и обращенную наружу внешнюю стенку 17. На внешней стороне 17 находится устройство 13 ввода для ВЧ мощности. Оно включает в себя множество твердотельных транзисторов 29, которые находятся в непосредственном контакте с щелеобразным фланцем 25, который образован первым участком 21 и вторым участком 23 проводящей стенки 15. Твердотельные транзисторы 29 соединены через подводящие проводники 31 с не показанным здесь источником постоянного тока. При активировании твердотельные транзисторы 29 индуцируют в проводящую стенку 15 ВЧ токи, которые распространяются вдоль проводящей стенки 15. Желательным является распространение вдоль внутренней стороны 19 проводящей стенки. Чтобы достичь этого, предусмотрено экранирующее устройство, которое в показанном здесь случае встроено в выемку проводящей стенки 15. Выемки в показанном здесь примере заполнены ферритовым кольцом 33. Экранирующее устройство или ферритовое кольцо 33 находится как в первом участке 21 проводящей стенки 15, так и во втором участке 23. Ферритовое кольцо 33 повышает импеданс на внешней стороне 17 электропроводящей стенки 15, за счет чего предотвращается распространение ВЧ токов вдоль внешней стороны 17 и направляется на внутреннюю сторону 19.
Дополнительно твердотельные транзисторы 29 и место ввода на фланце 25 защищены снаружи от электромагнитного излучения посредством металлического защитного кожуха 35, например, из меди. Защитный кожух 36 контактирует с электропроводной стенкой 15 в том месте на внешней стороне 17, которое уже защищено посредством экранирующего устройства от распространяющихся ВЧ токов.
Фиг.4 показывает сечение вдоль линии IV-IV на фиг.3. Можно видеть внешний защитный кожух 35, несколько твердотельных транзисторов 29, а также контактное место с частью проводящей стенки 15, образующей фланец 25.
На фиг.3 экранирующее устройство показано как ферритовое кольцо 33, которое продолжается вдоль периметра ВЧ резонатора. Другие формы выполнения показаны с помощью последующих фиг.5-фиг.9.
Фиг.6 показывает продольное сечение проводящей стенки 15 в месте, которое на фиг.3 соответствует тому месту, в котором находится ферритовое кольцо 33. В проводящей стенке 15 выполнена выемка 37, которая сформирована таким образом, что она образует λ/4 шлейф. λ/4 шлейф настроен таким образом на рабочую частоту ВЧ резонатора 11, что благодаря λ/4 шлейфу предотвращается распространение ВЧ токов вдоль внешней стороны 17 стенки 15. Выемка может согласно фиг.6 быть заполнена диэлектриком 39 или согласно фиг.7 образовывать складки (складка 41). За счет обеих мер можно разместить λ/4 шлейф компактным образом.
Фиг.8 показывает другое выполнение экранирующего устройства. В показанном здесь случае экранирующее устройство реализовано таким образом, что защитный кожух 35, который контактирует с проводящей стенкой 15 и окружает твердотельные транзисторы 29, выполнен специальным образом. Защитный кожух 35 на свой внутренней стороне имеет множество ребер 43. С помощью этих ребер 43 увеличивается импеданс пути, который ведет с внешней стороны 17 проводящей стенки 15 вдоль внутренней стороны защитного кожуха 35 и препятствует тем самым тому, чтобы ВЧ токи распространялись вдоль внешней стороны 17 стенки 15 от места ввода по защитному кожуху 35 наружу.
Фиг.9 показывает ВЧ резонатор, который выполнен как коаксиальное проводящее соединение 47. Через размещенное на внешнем проводнике устройство 13 ввода ВЧ мощность может вводиться в коаксиальное соединение. Посредством экранирующего устройства внешний проводник коаксиального соединения 47 или его внешняя сторона защищены от распространяющихся ВЧ токов.
Фиг.10 показывает блок ускорителя, вдоль которого множество ВЧ резонаторов 11…11', как они показаны, например, на фиг.1 и фиг.2, размещено друг за другом. Так как ВЧ токи распространяются только на внутренней стороне ВЧ резонаторов 11…11', ВЧ резонаторы 11…11' в диапазоне высоких частот развязаны друг от друга и поэтому могут индивидуально управляться управляющим устройством 45, за счет чего обеспечивается возможность гибкой настройки ВЧ резонаторов 11…11' на желательное ускорение.
Перечень ссылочных позиций
11 ВЧ резонатор
13 устройство ввода
15 проводящая стенка
17 внешняя сторона
19 внутренняя сторона
21 первый участок
23 второй участок
25 фланец
27 изолирующее кольцо
29 твердотельный переключатель
29 твердотельный транзистор
31 подводящий проводник
33 ферритовое кольцо
35 защитный кожух
37 выемка
39 диэлектрик
41 складка
43 ребро
45 управляющее устройство
47 коаксиальное соединение