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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anregen einer hochfrequenten elektromagnetischen Schwingung in einem Resonator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, einen Resonator für einen Teilchenbeschleuniger gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9, sowie einen Teilchenbeschleuniger gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
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Ein Teilchenbeschleuniger ist ein Gerät, in dem geladene Teilchen, beispielsweise Elementarteilchen, Atomkerne, ionisierte Atome oder Moleküle, durch elektrische Felder auf große Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Teilchenbeschleuniger werden in der Grundlagenforschung, für industrielle und für medizinische Zwecke eingesetzt.
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Linearbeschleuniger sind Teilchenbeschleuniger, die elektrisch geladene Teilchen auf gerader Bahn beschleunigen. Dabei werden die Teilchen durch hochfrequente elektrische Felder durch eine Reihe zylindrischer Hohlleiter oder Resonatoren beschleunigt.
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Bisherige Teilchenbeschleuniger werden aus Hochfrequenz-Quellen (HF-Quellen) betrieben, deren gepulste Versorgungsspannung an die zu erwartende Last angepasst wird. Ein sogenanntes Pulse Forming Network sorgt dabei für eine ausreichend konstante Versorgungsspannung während des Pulses angesichts der Entladung eines Pulskondensators. Ein HF-Ausgangsnetzwerk (Zirkulator) sorgt für eine im Wesentlichen konstante Belastung der Sender-Endstufe. Eine eigentliche Regelung der HF-Leistungsabgabe während des Pulses findet nicht statt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Anregung einer hochfrequenten elektromagnetischen Schwingung in einem Resonator eines Teilchenbeschleunigers anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es ist weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Resonator für einen Teilchenbeschleuniger bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen Resonator mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Es ist weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Teilchenbeschleuniger bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen Teilchenbeschleuniger mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Anregung einer hochfrequenten elektromagnetischen Schwingung in einem Resonator eines Teilchenbeschleunigers wird durch einen Sender eine elektromagnetische Leistung in den Resonator eingekoppelt. Dabei wird der Sender wiederholt zwischen einer ersten Sendeleistung und einer zweiten Sendeleistung umgeschaltet. Vorteilhafterweise ermöglicht dieses Verfahren eine Regelung der durch den Sender an den Resonator abgegebenen Leistung.
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Bevorzugt wird der Sender wiederholt ein- und ausgeschaltet. Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine besonders einfache Steuerung oder Regelung der durch den Sender in den Resonator eingekoppelten Leistung.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Sender periodisch zwischen der ersten Sendeleistung und der zweiten Sendeleistung umgeschaltet. Vorteilhafterweise lässt sich dadurch ein quasi-stationärer Zustand des Resonators erreichen.
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Bevorzugt wird ein Resonanzzustand des Resonators auch bei ausgeschaltetem Sender aufrecht erhalten. Vorteilhafterweise wird dadurch auch eine im Resonator angeregte hochfrequente elektromagnetische Schwingung aufrecht erhalten.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens koppelt der Sender die elektromagnetische Leistung mittels Stromkopplung in den Resonator ein. Dabei wird der Resonanzstrom bei ausgeschaltetem Sender durch den Sender kurzgeschlossen. Vorteilhafterweise kann der Resonanzstrom dann auch bei ausgeschaltetem Sender weiter fließen, wodurch der Resonanzzustand des Resonators und somit die im Resonator angeregte elektromagnetische Schwingung aufrecht erhalten werden.
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Es ist zweckmäßig, wenn eine Ausgangsimpedanz des ausgeschalteten Senders im Wesentlichen imaginär ist. Vorteilhafterweise ergibt sich dann bei ausgeschaltetem Sender nur ein geringer Energieverlust am Sender.
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Bevorzugt ist eine Bandbreite des Resonators so bemessen, dass ein durch das Umschalten des Senders erzeugtes HF-Spektrum innerhalb der Bandbreite des Resonators liegt. Vorteilhafterweise folgt der Resonator dem Umschalten des Senders dann ohne wesentliche Zeitverzögerung.
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Ebenfalls bevorzugt ist eine Bandbreite des Senders so bemessen, dass ein durch das Umschalten des Senders erzeugtes HF-Spektrum innerhalb der Bandbreite des Senders liegt. Vorteilhafterweise lässt sich der Sender dann schnell zwischen der ersten und der zweiten Sendeleistung umschalten.
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Ein erfindungsgemäßer Resonator für einen Teilchenbeschleuniger wird nach einem Verfahren der oben beschriebenen Art angeregt. Vorteilhafterweise gestattet dieser Resonator dann eine Steuerung oder Regelung einer in den Resonator eingekoppelten elektromagnetischen Leistung.
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Ein erfindungsgemäßer Teilchenbeschleuniger weist einen Resonator der oben beschriebenen Art auf. Vorteilhafterweise kann bei diesem Teilchenbeschleuniger dann die in den Resonator eingekoppelte elektromagnetische Leistung gesteuert oder geregelt werden.
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Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Resonators eines Teilchenbeschleunigers; und
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2 einen Graphen zur Erläuterung eines Anregungsverfahrens.
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1 zeigt in stark schematisierter Darstellung eine Ansicht eines Resonators 100. Der Resonator 100 kann beispielsweise als Resonator in einem Teilchenbeschleuniger dienen.
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Der Resonator 100 weist die Grundform eines Kreiszylinders mit einer kreisscheibenförmigen ersten Deckfläche 110, einer der ersten Deckfläche 110 gegenüber liegenden kreisscheibenförmigen zweiten Deckfläche 120 und einer die erste Deckfläche 110 und die zweite Deckfläche 120 verbindenden Mantelfläche 130 auf. Der Resonator 100 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus mit Kupfer beschichtetem Stahl. Im Resonator 100 kann eine Vielzahl unterschiedlicher elektromagnetischer Schwingungsmoden angeregt werden. Beispielsweise kann im Resonator 100 eine TM010-Mode angeregt werden.
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Die Mantelfläche 130 des Resonators 100 weist einen senkrecht zur Zylinderachse des Resonators 100 orientierten umlaufenden Schlitz 140 auf, der die Mantelfläche 130 in einen mit der ersten Deckfläche 110 verbundenen ersten Abschnitt und einen mit der zweiten Deckfläche 120 verbundenen zweiten Abschnitt teilt. Die beiden Abschnitte der Mantelfläche 130 sind elektrisch gegeneinander isoliert. Im Schlitz 140 kann eine elektrisch nicht leitende Vakuumdichtung vorgesehen sein.
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Im Bereich des Schlitzes 140 sind außen an der Mantelfläche 130 des Resonators 100 mehrere radial nach außen weisende Sendermodule 200 angeordnet. Die Sendermodule 200 sind dabei so positioniert, dass jedes Sendermodul 200 den Schlitz 140 überbrückt. Insgesamt können beispielsweise 64 Sendermodule 200 vorgesehen sein, die in einem Winkelabstand von jeweils 5,626° zueinander angeordnet sind.
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Jedes der Sendermodule 200 weist einen Strompfad 210 auf, der die beiden Abschnitte der Mantelfläche 130 elektrisch miteinander verbindet. Gemeinsam bieten die Sendermodule 200 also eine Mehrzahl paralleler Strompfade 210 zwischen den beiden Abschnitten der Mantelfläche 130 des Resonators 100.
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Wird im Resonator 100 eine elektromagnetische TM010-Mode angeregt, so entstehen im Resonator 100 ein axiales elektrisches Feld und ein azimutales magnetisches Feld. Daraus ergeben sich hochfrequente Ströme, die in den Deckflächen 110, 120 radial und in der Mantelfläche 130 axial fließen. Durch Anregen eines hochfrequenten Stromflusses 220 über die Strompfade 210 der Sendermodule 200 kann im Resonator 100 somit umgekehrt eine Serienresonanz angeregt werden. Durch die gleichmäßige Verteilung der Sendermodule 200 am Umfang der Mantelfläche 130 des Resonators 100 und durch das Fehlen weiterer Resonanzmoden des Resonators 100 im Bereich der Betriebsfrequenz kann eine homogene Strominjektion am Umfang der Mantelfläche 130 und eine Lastverteilung über die einzelnen Sendermodule 200 sichergestellt werden.
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Die Sendermodule 200 können beispielsweise Siliziumkarbid-Transistoren aufweisen, um den hochfrequenten Stromfluss 220 über die Strompfade 210 der Sendermodule 200 zu erzeugen. Derartige Transistoren lassen sich sehr schnell bis in den Bereich einiger GHz schalten.
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Jedes der Sendermodule 200 ist dazu ausgebildet, den Strompfad 210 bei ausgeschaltetem Sendermodul 200 aktiv kurzzuschließen. Dies bedeutet bei ausgeschaltetem Sendermodul 200 eine starke Fehlanpassung im Realteil der Ausgangsimpedanz des Sendermoduls 200, also einen Kurzschluss des Strompfads 210 bei weitgehender Erhaltung des Imaginärteils der Ausgangsimpedanz. Dadurch wird der Resonanzzustand des Resonators 100 auch bei ausgeschalteten Sendermodulen 200 aufrecht erhalten. Dies gestattet es, die im Resonator 100 angeregte HF-Leistung mittels einer Zweipunkt-Paketmodulation der HF-Amplitude zu steuern oder zu regeln.
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2 zeigt einen schematischen Graphen zur Erläuterung eines Verfahrens zum Anregen der hochfrequenten elektromagnetischen Schwingung im Resonator 100 durch die Sendermodule 200. Auf den horizontalen Achsen ist dabei eine Zeit 310 aufgetragen. Ein unterer Abschnitt des Graphen der 2 zeigt einen zeitlichen Verlauf einer durch ein Sendermodul 200 abgegebenen Sendeleistung 320. Ein oberer Bereich des Graphen der 2 zeigt einen zeitlichen Verlauf einer im Resonator 100 herrschenden Resonatorspannung 330 bzw. einer im Resonator 100 herrschenden elektrischen Feldstärke.
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Zu einem ersten Zeitpunkt 311 wird das Sendermodul 200 eingeschaltet, so dass das Sendermodul 200 eine zweite Leistung 322 abgibt. In der Folge beginnt ab dem ersten Zeitpunkt 311 die im Resonator 100 herrschende Resonatorspannung 330 zu steigen, bis sie zu einem zweiten Zeitpunkt 312 eine zweite Spannung 332 erreicht.
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Zum zweiten Zeitpunkt 312 wird die Sendeleistung 320 des Sendermoduls 200 auf eine erste Leistung 321 abgesenkt. Die erste Sendeleistung 321 ist geringer als die zweite Sendeleistung 322. Die erste Leistung 321 kann beispielsweise den Wert Null aufweisen. In diesem Fall wird das Sendermodul 200 zum zweiten Zeitpunkt 312 abgeschaltet. Dabei bleibt jedoch, wie oben ausgeführt, der Resonanzzustand des Resonators 100 durch Kurzschließen des Strompfads 210 des Sendermoduls 200 erhalten.
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In Folge der ab dem zweiten Zeitpunkt 312 reduzierten Sendeleistung 321 beginnt die im Resonator 100 herrschende Resonatorspannung 330 ab dem zweiten Zeitpunkt 312 von der zweiten Spannung 332 auf eine betragsmäßig niedrigere erste Spannung 331 zu sinken.
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Zu einem dritten Zeitpunkt 313 ist die Resonatorspannung 330 auf den Wert der ersten Spannung 331 abgeklungen. Zu diesem dritten Zeitpunkt 313 wird die durch das Sendermodul 200 abgegebene Sendeleistung 320 wieder auf die zweite Leistung 322 erhöht. In der Folge steigt die im Resonator 100 herrschende Resonatorspannung 330 ab dem dritten Zeitpunkt 313 wieder an, bis sie zu einem vierten Zeitpunkt 314 wieder die zweite Spannung 332 erreicht.
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Das beschriebene Umschalten der durch das Sendermodul 200 abgegebenen Sendeleistung 320 und das sich ergebende Ansteigen und Absinken der Resonatorspannung 330 setzt sich über einen fünften Zeitpunkt 315, einen sechsten Zeitpunkt 316, einen siebten Zeitpunkt 317 und den weiteren Verlauf der Zeit 310 hin fort.
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Die Zeitabschnitte zwischen dem zweiten Zeitpunkt 312 und dem dritten Zeitpunkt 313, zwischen dem vierten Zeitpunkt 314 und dem fünften Zeitpunkt 315 und zwischen dem sechsten Zeitpunkt 316 und dem siebten Zeitpunkt 317, in denen das Sendermodul 200 die erste Sendeleistung 321 abgibt, können jeweils die gleiche Dauer oder aber unterschiedliche Dauern aufweisen.
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Die Zeitabschnitte zwischen dem dritten Zeitpunkt 313 und dem vierten Zeitpunkt 314 und zwischen dem fünften Zeitpunkt 315 und dem sechsten Zeitpunkt 316, in denen das Sendermodul 200 die zweite Sendeleistung 322 abgibt, können ebenfalls jeweils die gleiche Dauer oder unterschiedliche Dauern aufweisen.
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Außerdem kann ein Zeitraum, in dem das Sendermodul 200 die erste Sendeleistung 321 abgibt, beispielsweise der Zeitraum zwischen dem zweiten Zeitpunkt 312 und dem dritten Zeitpunkt 313, genauso lange oder kürzer oder länger dauern als der nachfolgende Zeitraum, in dem das Sendermodul 200 die zweite Sendeleistung 322 abgibt, beispielsweise der Zeitraum zwischen dem dritten Zeitpunkt 313 und dem vierten Zeitpunkt 314. Falls solche aufeinander folgenden Zeiträume unterschiedliche Dauer aufweisen, so kann über das Tastverhältnis die dem Resonator 100 im zeitlichen Mittel zugeführte Sendeleistung 320 eingestellt werden.
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Außerdem können die Zeiträume zwischen dem Umschalten der durch das Sendermodul 200 abgegebenen Sendeleistung 320 auf die zweite Leistung 322, beispielsweise der Zeitraum zwischen dem dritten Zeitpunkt 313 und dem fünften Zeitpunkt 315 und der Zeitraum zwischen dem fünften Zeitpunkt 315 und dem siebten Zeitpunkt 317, jeweils gleich lange oder unterschiedlich lange dauern. Somit kann das Umschalten der Sendeleistung 320 des Sendermoduls 200 periodisch oder nicht periodisch erfolgen.
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Durch das schnelle Umschalten der Sendeleistung 320 des Sendemoduls 200 zu den Zeitpunkten 312, 313, 314, 315, 316, 317 wird jeweils ein HF-Spektrum mit hochfrequenten Spektralanteilen erzeugt. Bevorzugt sollten die Bandbreite des Resonators und die Bandbreite des Sendermoduls so bemessen sein, dass dieses HF-Spektrum innerhalb der jeweiligen Bandbreite liegt. Dann können das Sendermodul 200 und der Resonator 100 dem schnellen Umschalten der Sendeleistung 320 tatsächlich ohne Zeitverzögerung folgen.
