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Die vorliegende Erfindung betrifft eine HF-Kavität gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, einen Teilchenbeschleuniger mit einer HF-Kavität gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer HF-Kavität gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 13.
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In HF-Kavitäten lassen sich hochfrequente elektromagnetische Schwingungen anregen. Solche HF-Kavitäten können auch als Resonatoren bezeichnet werden. HF-Kavitäten werden beispielsweise in Teilchenbeschleunigern zur Beschleunigung elektrisch geladener Teilchen verwendet.
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Zum Anregen einer hochfrequenten elektromagnetischen Schwingung in einer HF-Kavität ist es bekannt, eine hochfrequente Leistung beispielsweise mittels eines Klystrons zu erzeugen und mittels eines Wellenleiters zur HF-Kavität zu transportieren oder mittels eines Dämpfungsglieds oder eines induktiven Kopplers in die Kavität einzukoppeln. Allerdings lassen sich mit dieser Art der Anregung nicht beliebig hohe HF-Leistungen erzielen.
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Aus der
EP 0 606 870 A1 ist bekannt, eine HF-Kavität mit einer leitfähigen Wand mit einer Mehrzahl von Festkörperverstärkern auszustatten, die dazu vorgesehen sind, einen hochfrequenten Stromfluss in der Wand der HF-Kavität zu induzieren und dadurch eine hochfrequente elektromagnetische Schwingung in der HF-Kavität anzuregen. Dies hat den Vorteil, dass die in die HF-Kavität eingekoppelte Leistung erst am Ort der Einkopplung erzeugt wird und die Einkopplung der Leistung über eine große Fläche verteilt erfolgen kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte HF-Kavität bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine HF-Kavität mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es ist weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Teilchenbeschleuniger bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen Teilchenbeschleuniger mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Es ist weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer HF-Kavität anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine erfindungsgemäße HF-Kavität umfasst eine Kammer mit einer elektrisch leitenden Kammerwand, die einen ersten Wandabschnitt und einen zweiten Wandabschnitt aufweist. Dabei sind der erste Wandabschnitt und der zweite Wandabschnitt durch einen umlaufenden Spalt in der Kammerwand elektrisch voneinander isoliert. Die HF-Kavität umfasst außerdem eine Antriebsvorrichtung mit einer Mehrzahl von Festkörperschaltern. Weiter ist umlaufend entlang des Spalts ein radialer Wellenleiter angeordnet. Dabei ist die Antriebsvorrichtung ausgebildet, elektromagnetische Energie in den radialen Wellenleiter einzukoppeln, und der radiale Wellenleiter ausgebildet, elektromagnetische Energie in die Kammerwand einzukoppeln. Vorteilhafterweise können sich bei dieser HF-Kavität die Kammer, der radiale Wellenleiter und die Antriebsvorrichtung auf unterschiedlichen Temperaturen befinden. Dies ermöglicht es beispielsweise, eine supraleitende Kavität durch eine normalleitende Antriebsvorrichtung anzutreiben.
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Bevorzugt ist die Kammerwand ausgebildet, im Betrieb der HF-Kavität supraleitend zu sein, während der radiale Wellenleiter ausgebildet ist, im Betrieb der HF-Kavität normalleitend zu sein und die Antriebsvorrichtung ebenfalls ausgebildet ist, im Betrieb der HF-Kavität normalleitend zu sein. Vorteilhafterweise können in der supraleitenden HF-Kavität wegen der geringeren Dämpfung dann höhere Schwingungsleistungen angeregt werden.
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In einer Ausführungsform der HF-Kavität ist die Kammerwand ausgebildet, bei einer Temperatur von etwa 4,2 Kelvin betrieben zu werden. Vorteilhafterweise kann diese Temperatur durch Kühlung mit flüssigem Helium erreicht werden. Die Kammerwand kann dabei aus einem Material der Vielzahl verfügbarer, bei 4,2 Kelvin supraleitender Materialien gefertigt sein.
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Es ist zweckmäßig, dass der radiale Wellenleiter thermisch an eine Kühlvorrichtung gekoppelt ist. Vorteilhafterweise kann der Wellenleiter dann auf eine Temperatur gekühlt werden, die zwischen der Temperatur der Kammerwand und der Temperatur der Antriebsvorrichtung liegt.
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Bevorzugt sind die Festkörperschalter entlang eines Außenumfangs des radialen Wellenleiters angeordnet. Vorteilhafterweise können die Festkörperschalter dann gemeinsam eine sehr hohe Leistung in den Wellenleiter einkoppeln, wobei jeder einzelne Festkörperschalter nur eine begrenzte Leistung in den Wellenleiter einkoppeln muss.
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In einer Ausführungsform der HF-Kavität weist der radiale Wellenleiter eine erste metallische Platte und eine zu der ersten Platte parallele zweite metallische Platte auf. Dabei ist die erste Platte elektrisch leitend mit dem ersten Wandabschnitt verbunden und die zweite Platte elektrisch leitend mit dem zweiten Wandabschnitt verbunden. Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine wirksame Einspeisung der durch die Antriebsvorrichtung in den Wellenleiter eingespeisten elektromagnetischen Energie in die Kammerwand.
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Bevorzugt ist zwischen den Platten des radialen Wellenleiters ein Dielektrikum angeordnet.
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Ebenfalls bevorzugt ist, dass ein Strompfad vom ersten Wandabschnitt über die erste Platte, die Mehrzahl von Festkörperschaltern und die zweite Platte zum zweiten Wandabschnitt vorgesehen ist. Vorteilhafterweise gestattet dies eine direkte Kontrolle über die in der Kammerwand fließenden Ströme.
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In einer Weiterbildung der HF-Kavität ist eine Abschirmvorrichtung vorgesehen, die die Antriebsvorrichtung zumindest teilweise umschließt. Vorteilhafterweise verhindert die Antriebsvorrichtung dann eine Abstrahlung der durch die Antriebsvorrichtung erzeugten elektromagnetischen Schwingung.
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Besonders bevorzugt ist die Abschirmvorrichtung elektrisch leitend mit den metallischen Platten des radialen Wellenleiters verbunden. Vorteilhafterweise führt dies zu einer besonders vollständigen Abschirmung der Antriebsvorrichtung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der HF-Kavität ist die Kammer zylindrisch ausgebildet, wobei die Kammerwand eine Mantelfläche der Kammer bildet. Vorteilhafterweise lassen sich in zylindrischen Kammern besonders günstige Schwingungsmoden anregen.
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Ein erfindungsgemäßer Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen elektrisch geladener Teilchen weist eine HF-Kavität der vorgenannten Art auf. Vorteilhafterweise kann die HF-Kavität dann eine supraleitende Kammer umfassen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer HF-Kavität mit einer Kammer, einem radialen Wellenleiter, der umlaufend um die Kammer angeordnet ist, und mit einer Antriebsvorrichtung mit einer Mehrzahl von Festkörperschaltern, die entlang eines radial äußeren Rands des radialen Wellenleiters angeordnet sind, wird die Kammer auf eine erste Temperatur gekühlt und der radiale Wellenleiter auf eine zweite Temperatur gekühlt. Dabei ist die erste Temperatur niedriger als die zweite Temperatur und die zweite Temperatur niedriger als eine Temperatur der Antriebsvorrichtung. Vorteilhafterweise ermöglicht es dieses Verfahren, eine supraleitende Kavität durch eine normalleitende Antriebsvorrichtung anzutreiben.
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Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische perspektivische Darstellung einer HF-Kavität; und
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2 einen Schnitt durch die HF-Kavität.
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1 zeigt eine schematisierte perspektivische Darstellung einer HF-Kavität 100. Die HF-Kavität 100 kann beispielsweise als Resonator in einem Teilchenbeschleuniger dienen.
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Die HF-Kavität 100 weist eine Kammer 200 auf. Die Kammer 200 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus einem Metall. Das Material der Kammer 200 ist dabei so gewählt, dass es bei tiefen Temperaturen supraleitend wird. Beispielsweise kann ein Material verwendet werden, dass bei einer Temperatur von 4,2 Kelvin supraleitend ist. Es kann aber auch ein Hochtemperatur-Supraleiter verwendet werden, der bereits bei einer Temperatur von 77 Kelvin oder bei einer noch höheren Temperatur supraleitend ist.
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In der Kammer 200 kann eine elektromagnetische Schwingung angeregt werden. In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist die Kammer 200 zylindrisch ausgebildet. Die Kammer kann jedoch auch eine andere Form als eine Zylinderform aufweisen. In 1 dargestellten Ausführungsform weist die zylindrische Kammer 200 einen Durchmesser auf, der größer als die axiale Länge der Kammer 200 ist. Die axiale Länge der Kammer 200 kann jedoch auch genauso groß wie der Durchmesser der Kammer 200 oder größer als der Durchmesser der Kammer 200 sein.
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Eine Kammerwand 210 bildet eine Mantelfläche der Kammer 200. Die Kammerwand 210 weist einen senkrecht zur Längsachse der Kammer 200 orientierten umlaufenden Spalt 220 auf, der in 1 nicht erkennbar ist. Der umlaufende Spalt 220 teilt die Kammerwand 210 in einen ersten Wandabschnitt 211 und einen zweiten Wandabschnitt 212. Durch den umlaufenden Spalt 220 sind der erste Wandabschnitt 211 und der zweite Wandabschnitt 212 elektrisch voneinander isoliert. Der umlaufende Spalt 220 kann als Luftspalt ausgebildet sein. Im umlaufenden Spalt 220 kann jedoch auch ein Dielektrikum angeordnet sein. Das im umlaufenden Spalt 220 angeordnete Dielektrikum kann auch zur Vakuumabdichtung der Kammer 200 dienen.
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Die HF-Kavität 100 umfasst weiter einen an sich bereits bekannten radialen Wellenleiter 400 (radial transmission line). Der radiale Wellenleiter 400 umfasst eine kreisringförmige erste metallische Platte 410 und eine zur ersten metallischen Platte 410 parallele kreisringförmige zweite metallische Platte 420 (siehe 2). Zwischen der ersten metallischen. Platte 410 und der zweiten metallischen Platte 420 ist ein Dielektrikum 430 angeordnet. Der Innendurchmesser der metallischen Platten 410, 420 entspricht etwa dem Außendurchmesser der Kammer 200. Der radiale Wellenleiter 400 ist im Bereich des umlaufenden Spalts 220 der Kammerwand 210 die Kammerwand 210 umlaufend angeordnet.
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Die HF-Kavität 100 umfasst weiter eine Antriebsvorrichtung 300. 1 zeigt die Antriebsvorrichtung 300 in geschnittener Darstellung, wobei ein vorderer Teil der Antriebsvorrichtung 300 nicht dargestellt ist. In der Praxis ist die HF-Kavität 100 vollständig von der Antriebsvorrichtung 300 umgeben. Die Antriebsvorrichtung 300 weist eine Mehrzahl von Festkörperschaltern 310 auf. Beispielsweise kann die Antriebsvorrichtung 64 Festkörperschalter 310 umfassen. Die Festkörperschalter 310 sind als Leiterplatten ausgebildet und weisen jeweils einen oder mehrere Leistungstransistoren auf, die dazu ausgebildet sind, einen hochfrequenten elektrischen Strom zu schalten und zu verstärken. Die Mehrzahl von Festkörperschaltern 310 ist umlaufend entlang des Außenumfangs des radialen Wellenleiters 400 angeordnet. Dabei weisen die einzelnen Festkörperschalter 310 bevorzugt jeweils konstante Winkelabstände zueinander auf.
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Die Antriebsvorrichtung 300 umfasst weiter eine Abschirmvorrichtung 320, die bevorzugt aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise einem Metall, besteht. Die Abschirmvorrichtung 320 umschließt die Festkörperschalter 310 der Antriebsvorrichtung 300 zumindest teilweise. Beispielsweise kann die Abschirmvorrichtung 320 die Form eines Zylinderrings aufweisen. Die Abschirmvorrichtung 320 dient dazu, zu verhindern, dass von den Festkörperschaltern 310 erzeugte hochfrequente elektromagnetische Schwingungen in die Umgebung der HF-Kavität 100 abgestrahlt werden.
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2 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt entlang eines durch einen der Festkörperschalter 310 verlaufenden Radius' der HF-Kavität 100. Dargestellt ist ein Abschnitt der Kammerwand 210 mit dem ersten Wandabschnitt 211 und dem zweiten Wandabschnitt 212, die durch den umlaufenden Spalt 220 elektrisch voneinander isoliert sind. Ferner zeigt 2 einen Abschnitt des radialen Wellenleiters 400 und einen der Festkörperschalter 310 der Antriebsvorrichtung 300.
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In der Schnittdarstellung der 2 ist erkennbar, dass der radiale Wellenleiter 400 die erste Platte 410 und die zur ersten Platte 410 parallele zweite Platte 420 umfasst, die durch das Dielektrikum 430 elektrisch voneinander isoliert sind. Die erste metallische Platte 410 ist über einen ersten Leistungskombinator 412 (power combiner) leitend mit dem ersten Wandabschnitt 211 der Kammerwand 210 verbunden. Die zweite metallische Platte 420 ist über einen zweiten Leistungskombinator 422 elektrisch leitend mit dem zweiten Wandabschnitt 212 der Kammerwand 210 verbunden. In der in 2 gezeigten einfachen Ausführungsform ist ein radial innerer Bereich des radialen Wellenleiters 400 im umlaufenden Spalt 220 der Kammerwand 210 angeordnet, so dass die erste. metallische Platte 410 in direktem Kontakt zum ersten Wandabschnitt 211 und die zweite metallische Platte 420 in direktem Kontakt zum zweiten Wandabschnitt 212 steht. Das Dielektrikum 430 des radialen Wellenleiters 400 bewirkt dann die elektrische Isolierung des ersten Wandabschnitts 211 gegen den zweiten Wandabschnitt 212.
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Die Leistungskombinatoren 412, 422 können in anderen Ausführungsformen jedoch auch anders ausgebildet sein. In allen Ausführungsformen sind die Leistungskombinatoren 412, 422 bevorzugt so ausgeführt, dass sie bei der Betriebstemperatur der Kammer (200), beispielsweise bei 4,2 Kelvin, supraleitend sind.
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Weiter ist aus 2 erkennbar, dass die erste metallische Platte 410 des radialen Wellenleiters 400 über eine erste Antriebsverbindung 311 elektrisch leitend mit dem Festkörperschalter 310 verbunden ist. Außerdem ist die zweite metallische Platte 420 des radialen Wellenleiters 400 über eine zweite Antriebsverbindung 312 elektrisch leitend mit dem Festkörperschalter 310 verbunden. Auf dem Festkörperschalter 310 ist zwischen der ersten Antriebsverbindung 311 und der zweiten Antriebsverbindung 312 die eigentliche elektrische Schaltung des Festkörperschalters 310 angeordnet, die einen Stromfluss zwischen der ersten Antriebsverbindung 311 und der zweiten Antriebsverbindung 312 hochfrequent schalten und verstärken kann.
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Insgesamt besteht somit ein elektrischer Strompfad zwischen dem ersten Wandabschnitt 211 der Kammerwand 210 über den ersten Leistungskombinator 412 zur ersten metallischen Platte 410 des radialen Wellenleiters 400 und weiter über die erste Antriebsverbindung 311 zum Festkörperschalter 310. Vom Festkörperschalter 310 setzt sich der Strompfad über die zweite Antriebsverbindung 312 und die zweite metallische Platte 420 des radialen Wellenleiters 400 über den zweiten Leistungskombinator 422 zum zweiten Wandabschnitt 212 der Kammerwand 210 hin fort. Entsprechende Strompfade bestehen zwischen der Kammerwand 210 und allen Festkörperschaltern 310 der Mehrzahl von Festkörperschaltern 310 der Antriebsvorrichtung 300. Die Festkörperschalter 310 der Antriebsvorrichtung 300 sind dadurch in der Lage, einen in axiale Richtung in der Kammerwand 210 fließenden elektrischen Strom anzuregen und zu verstärken. Über diese Anregung eines in der Kammerwand 210 fließenden Stroms kann die Antriebsvorrichtung 300 eine elektromagnetische Schwingung in der Kammer 200 der HF-Kavität 100 anregen.
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Die erste Platte 410 des radialen Wellenleiters 400 weist eine vom Dielektrikum 430 abgewandte erste Außenfläche 411 auf. Die zweite metallische Platte 420 des radialen Welleleiters 400 weist eine vom Dielektrikum 430 abgewandte zweite Außenfläche 421 auf. Die erste Außenfläche 411 der ersten metallischen Platte 410 ist über eine erste Abschirmverbindung 321 elektrisch leitend mit der Abschirmvorrichtung 320 verbunden. Die zweite Außenfläche 421 der zweiten metallischen Platte 420 ist über eine zweite Abschirmverbindung 322 elektrisch leitend mit der Abschirmvorrichtung 320 verbunden. Bevorzugt sind die Abschirmverbindungen 321, 322 ringförmig entlang des Außenumfangs des radialen Wellenleiters 400 ausgebildet, sodass die Abschirmvorrichtung 320 gemeinsam mit den Abschirmverbindungen 321, 322 ein geschlossenes Gehäuse bildet, das die Festkörperschalter 310 vollständig umschließt. Dadurch wird eine Abstrahlung einer hochfrequenten elektromagnetischen Welle durch die Antriebsvorrichtung 300 in die Umgebung der HF-Kavität 100 wirksam unterdrückt.
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Die Kammer 200 der HF-Kavität 100 ist dazu vorgesehen, während des Betriebs der HF-Kavität 100 supraleitend zu sein. Hierzu ist die Kammer 200 mit einer in den Figuren nicht dargestelllten Kühlvorrichtung ausgestattet oder verbunden, durch die die Kammer 200 der HF-Kavität 100 auf eine Temperatur abgekühlt werden kann, die unterhalb der Sprungtemperatur des für die Kammerwand 210 verwendeten Materials liegt. Beispielsweise kann die Kammer 200 mit flüssigem Helium oder mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden.
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Die Antriebsvorrichtung 300 der HF-Kavität 100 ist dazu ausgebildet, in normalleitendem Zustand betrieben zu werden.
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Beispielsweise kann sich die Antriebsvorrichtung 300 während des Betriebs der HF-Kavität 100 auf Raumtemperatur befinden.
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Der radiale Wellenleiter 400 ist dazu ausgebildet, während des Betriebs der HF-Kavität 100 eine Temperatur aufzuweisen, die zwischen der Temperatur der Antriebsvorrichtung 300 und der Temperatur der Kammer 200 liegt. Hierfür sind die Außenflächen 411, 421 der Platten 410, 420 des radialen Wellenleiters 400 an einer oder mehreren Stellen über thermische Ankopplungen 500 thermisch mit einer oder mehreren Kühlvorrichtungen verbunden, die den radialen Wellenleiter 400 auf die gewünschte Temperatur abkühlen.
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Die einzelnen thermischen Ankopplungen 500 können alle mit derselben Kühlvorrichtung verbunden sein. Es ist jedoch auch möglich, mehrere Kühlvorrichtungen mit unterschiedlichen Temperaturen vorzusehen und den radialen Wellenleiter 400 in radialer Richtung von außen nach innen schrittweise auf tiefere Temperaturen abzukühlen.
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Die einzelnen thermischen Ankopplungen 500 sind bevorzugt ringförmig ausgebildet und stehen dann jeweils über den gesamten Umfang des radialen Wellenleiters 400 mit den Außenflächen 411, 421 der Platten 410, 420 in thermischem Kontakt. Es ist auch möglich, lediglich eine thermische Ankopplung 500 vorzusehen.
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Die thermischen Ankopplungen 500 bestehen bevorzugt aus einem Material mit guter thermischer Leitfähigkeit, beispielsweise aus Kupfer. Die einander berührenden Oberflächen der Platten 410, 420 und der thermischen Ankopplungen 500 sind bevorzugt so ausgebildet, dass sich ein guter thermischer Kontakt zwischen den Platten 410, 420 und den thermischen Ankopplungen 500 ergibt. Beispielsweise können die Oberflächen poliert sein. Zur Verbesserung des thermischen Kontakts kann im Kontaktbereich zwischen den Platten 410, 420 und den thermischen Ankopplungen 500 auch eine Wärmeleitpaste vorgesehen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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