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Die vorliegende Erfindung betrifft einen HF-Generator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen Teilchenbeschleuniger mit einem HF-Generator gemäß Patentanspruch 11.
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Es ist bekannt, HF-Leistung mit Tetroden, Klystrons oder anderen Vorrichtungen zu erzeugen. Es ist ferner bekannt, HF-Leistung mit Wellenleitern, beispielsweise mit Hohlleitern, zu führen. Bisherige Lösungen sehen vor, die HF-Leistung an einem ersten Ort zu erzeugen und dann mittels eines Wellenleiters an einen zweiten Ort zu transportieren, wo die HF-Leistung, beispielsweise mittels eines Dämpfungsglieds oder eines induktiven Kopplers, beispielsweise in eine HF-Kavität eingekoppelt wird. Bei einer solchen Anordnung treten an den Koppelstellen jedoch notwendigerweise Leistungsverluste auf. Außerdem weisen derartige Anordnungen einen hohen Platzbedarf auf.
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Es ist außerdem bekannt, HF-Kavitäten mit integrierten Antriebsvorrichtungen zu versehen, um eine hochfrequente elektromagnetische Schwingung in der Kavität anzuregen. Eine solche HF-Kavität ist beispielsweise in der
EP 0 606 870 A1 beschrieben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, bei der die Erzeugung von HF-Leistung und die Weiterleitung der erzeugten HF-Leistung durch dieselbe Vorrichtung geleistet werden. Diese Aufgabe wird durch einen HF-Generator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Es ist außerdem Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Teilchenbeschleuniger mit einem derartigen HF-Generator bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen Teilchenbeschleuniger mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßer HF-Generator umfasst einen Festkörperschalter, einen in eine z-Richtung verlaufenden Horn-Wellenleiter mit einem ersten Längsende und einem zweiten Längsende und einen in z-Richtung verlaufenden zylindrischen Hohlleiter mit einem dritten Längsende. Dabei ist eine in einer x-y-Ebene angeordnete erste Querschnittsfläche des Horn-Wellenleiters am ersten Längsende kleiner als eine in eine in einer x-y-Ebene angeordnete zweite Querschnittsfläche des Horn-Wellenleiters am zweiten Längsende. Das zweite Längsende des Horn-Wellenleiters ist am dritten Längsende des Hohlleiters angeordnet. Außerdem ist der Festkörperschalter am ersten Längsende des Horn-Wellenleiters angeordnet, um eine elektromagnetische Schwingung in dem Horn-Wellenleiter anzuregen. Vorteilhafterweise wird bei diesem HF-Generator die HF-Leistung direkt im Horn-Wellenleiter angeregt und durch diesen in den Hohlleiter weitergeleitet, der sie zu einem Verbraucher transportiert. Dadurch reduzieren sich die Komplexität und die Herstellungskosten des HF-Generators. Ein weiterer Vorteil besteht in der Verwendung des Festkörperschalters, der gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen zur Erzeugung von HF-Leistung eine erhöhte Flexibilität bietet und dabei kompakter und kostengünstiger ausgeführt werden kann. Vorteilhaft ist auch, dass der Horn-Wellenleiter eine Impedanztransformation zwischen der niedrigen Impedanz des Festkörperschalters und der hohen Impedanz des Hohlleiters vornimmt.
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Bevorzugt ist der Festkörperschalter dabei in einer x-z-Ebene angeordnet. Vorteilhafterweise kann der Festkörperschalter dann eine hochfrequente elektromagnetische Spannung zwischen zwei einander gegenüberliegenden Wänden des Horn-Wellenleiters anlegen.
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Es ist zweckmäßig, dass der Festkörperschalter einen ersten Ausgangsanschluss aufweist, der auf einer Oberseite des Festkörperschalters angeordnet ist, und einen zweiten Ausgangsanschluss aufweist, der auf einer Unterseite des Festkörperschalters angeordnet ist, wobei der erste Ausgangsanschluss elektrisch leitend mit einer ersten Wand des Horn-Wellenleiters verbunden ist und der zweite Ausgangsanschluss elektrisch leitend mit einer der ersten Wand gegenüberliegenden zweiten Wand des Horn-Wellenleiters verbunden ist. Vorteilhafterweise kann der Festkörperschalter dann als zweiseitiges Modul ausgeführt sein und erlaubt eine einfache Integration von Festkörperschalter und Horn-Wellenleiter.
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Bevorzugt weist der Hohlleiter einen rechteckigen Querschnitt auf. Vorteilhafterweise verfügt ein Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt über geeignete Schwingungsmoden, beispielsweise über eine TE10-Schwingungsmode.
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Besonders bevorzugt weist auch der Horn-Wellenleiter einen rechteckigen Querschnitt auf. Vorteilhafterweise können der Horn-Wellenleiter und der Hohlleiter dann ineinanderübergehend ausgebildet werden und ermöglichen eine Weiterleitung von HF-Leistung vom Horn-Wellenleiter in den Hohlleiter.
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In einer Ausführungsform des HF-Generators weitet sich der Horn-Wellenleiter zwischen dem ersten Längsende und dem zweiten Längsende in y-Richtung auf.
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In einer Weiterbildung des HF-Generators weitet sich der Horn-Wellenleiter zwischen dem ersten Längsende und dem zweiten Längsende auch in x-Richtung auf.
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Besonders bevorzugt sind der Hohlleiter und der Horn-Wellenleiter einstückig ausgebildet. Vorteilhafterweise werden dadurch Verluste am Übergang zwischen dem Horn-Wellenleiter und dem Hohlleiter minimiert.
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In einer Weiterbildung des HF-Generators weist der Horn-Wellenleiter eine zwischen dem ersten Längsende und dem zweiten Längsende angeordnete Mittenposition auf, wobei der Horn-Wellenleiter zwischen dem ersten Längsende und der Mittenposition eine konstante Querschnittsfläche aufweist. Vorteilhafterweise eignet sich der Abschnitt des Horn-Wellenleiters zwischen dem ersten Längsende und der Mittenposition dann besonders gut zur Verbindung mit dem Festkörperschalter.
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In einer Weiterbildung des HF-Generators weist der Hohlleiter ein viertes Längsende auf, das mit einer HF-Kavität verbunden ist. Vorteilhafterweise kann die durch den HF-Generator erzeugte HF-Leistung dann in die HF-Kavität geführt und dort weiterverwendet werden.
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Ein erfindungsgemäßer Teilchenbeschleuniger weist einen HF-Generator der vorgenannten Art auf. Vorteilhafterweise kann der Teilchenbeschleuniger die durch den HF-Generator erzeugte HF-Leistung dann zur Beschleunigung geladener Teilchen verwenden.
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Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 einen Schnitt durch einen HF-Generator gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 eine Aufsicht auf den HF-Generator der ersten Ausführungsform;
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3 eine perspektivische Darstellung des HF-Generators der ersten Ausführungsform; und
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4 eine Aufsicht auf einen HF-Generator gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt einen Schnitt durch einen HF-Generator 100 gemäß einer ersten Ausführungsform. Der HF-Generator 100 dient zur Erzeugung hochfrequenter elektromagnetischer Wellen mit hoher Leistung. Die durch den HF-Generator 100 erzeugte HF-Leistung kann beispielsweise in einem Teilchenbeschleuniger zur Beschleunigung geladener Teilchen genutzt werden.
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In 1 ist der HF-Generator an einer y-z-Ebene geschnitten. Die z-Richtung entspricht einer Längsrichtung des HF-Generators 100 und auch der Richtung eines Energieflusses 110, in die die durch den HF-Generator 100 erzeugte HF-Leistung geleitet wird.
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Der HF-Generator 100 umfasst einen Festkörperschalter 200, einen Horn-Wellenleiter 300 und einen Hohlleiter 400, die in z-Richtung hintereinander angeordnet sind. Der HF-Generator 100 umfasst somit sowohl Mittel zum Erzeugen der HF-Leistung als auch Mittel zum Führen der erzeugten HF-Leistung. Dadurch weist der HF-Generator 100 gegenüber herkömmlichen HF-Generatoren eine reduzierte Komplexität auf und lässt sich kostengünstiger herstellen.
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Der Festkörperschalter 200 umfasst eine Leiterplatte 230, die in einer x-z-Ebene angeordnet ist. Die Leiterplatte 230 weist eine in positive y-Richtung weisende Oberseite 231 und eine in negative y-Richtung weisende Unterseite 232 auf.
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Auf der Leiterplatte 230 sind ein oder mehrere Transistoren 240 angeordnet, die zum Schalten von HF-Leistung ausgebildet sind. Bei dem einen oder mehreren Transistoren 240 handelt es sich bevorzugt um Halbleitertransistoren, beispielsweise um SiC-JFETs. Die Transistoren 240 können auf der Oberseite 231, der Unterseite 232 oder sowohl auf der Oberseite 231 als auch der Unterseite 232 der Leiterplatte 230 angeordnet sein.
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Weiter weist der Festkörperschalter 200 einen ersten Ausgangsanschluss 210 auf, der auf der Oberseite 231 der Leiterplatte 230 angeordnet ist. Außerdem weist der Festkörperschalter 200 einen zweiten Ausgangsanschluss 220 auf, der auf der Unterseite 232 der Leiterplatte 230 angeordnet ist. Zwischen den Ausgangsanschlüssen 210, 220 kann der Festkörperschalter 200 eine hochfrequente elektrische Spannung anlegen, die durch den einen oder die mehreren Transistoren 240 geschaltet wird.
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Weiter weist der Festkörperschalter 200 eine in den Figuren nicht dargestellte Gleichspannungsversorgung auf, über die der Festkörperschalter 200 mit elektrischer Leistung versorgt wird.
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Der Horn-Wellenleiter 300 ist als metallischer Hohlleiter ausgebildet, dessen Querschnittsfläche in z-Richtung zwischen einem ersten Längsende 310 des Horn-Wellenleiters 300 und einem zweiten Längsende 320 des Horn-Wellenleiters 300 zunimmt. Zwischen dem ersten Längsende 310 und dem zweiten Längsende 320 weist der Horn-Wellenleiter 300 eine Mittenposition 330 auf. Zwischen dem erste Längsende 310 und der Mittenposition 330 erstreckt sich ein zylindrischer Abschnitt 350 des Horn-Wellenleiters 300. Zwischen der Mittenposition 330 und dem zweiten Längsende 320 des Horn-Wellenleiters 300 erstreckt sich ein konischer Abschnitt 360 des Horn-Wellenleiters 300. Im zylindrischen Abschnitt 350 ändert sich die Querschnittsfläche des Horn-Wellenleiters 300 in z-Richtung nicht. Im konischen Abschnitt 360 nimmt die Querschnittsfläche des Horn-Wellenleiters 300 in z-Richtung zu.
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Der zylindrische Abschnitt 350 weist eine in positive y-Richtung weisende obere Wand 351 und eine in negative y-Richtung weisende untere Wand 352 auf. Die obere Wand 351 und die untere Wand 352 sind parallel zueinander orientiert. An der Mittenposition 330 geht die obere Wand 351 in eine erste Wand 370 des konischen Abschnitts 360 über. Außerdem geht die untere Wand 352 an der Mittenposition 330 in eine zweite Wand 380 des konischen Abschnitts 360 über. Die erste Wand 370 und die zweite Wand 380 des konischen Abschnitts 360 sind zueinander nicht parallel orientiert, sondern schließen einen vertikalen Öffnungswinkel 340 ein, der beispielsweise 90° betragen kann.
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2 zeigt eine Aufsicht auf den HF-Generator 100 der ersten Ausführungsform. Aus 2 wird ersichtlich, dass der konische Abschnitt 360 eine in einer y-z-Ebene angeordnete dritte Wand 390 und eine ebenfalls in einer y-z-Ebene angeordnete vierte Wand 395 aufweist. Die dritte Wand 390 und die vierte Wand 395 verbinden jeweils die erste Wand 370 mit der zweiten Wand 380 und sind parallel zueinander orientiert. Alle Wände 351, 352, 370, 380, 390, 395 des Horn-Wellenleiters 300 bestehen aus einem elektrisch leitenden Material, bevorzugt aus einem Metall.
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Der erste Ausgangsanschluss 210 des Festkörperschalters 200 ist am erste Längsende 310 des Horn-Wellenleiters 300 elektrisch leitend mit der oberen Wand 351 des zylindrischen Abschnitts 350 des Horn-Wellenleiters 300 verbunden. Der zweite Ausgangsanschluss 220 des Festkörperschalters 200 ist am ersten Längsende 310 des Horn-Wellenleiters 300 elektrisch leitend mit der unteren Wand 352 des zylindrischen Abschnitts 350 des Horn-Wellenleiters 300 verbunden. Somit ist der Festkörperschalter 200 in die Lage versetzt, über die Ausgangsanschlüsse 210, 220 eine hochfrequente elektrische Spannung zwischen der oberen Wand 351 und der unteren Wand 352 des zylindrischen Abschnitts 250 des Horn-Wellenleiters 300 anzulegen, wodurch im Horn-Wellenleiter 300 eine elektromagnetische Schwingung angeregt wird. Der Horn-Wellenleiter 300 leitet die durch den Festkörperschalter 200 angeregte HF-Leistung an den Hohlleiter 400 weiter.
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Der Horn-Wellenleiter 300 dient als Impedanztransformator, der eine Impedanzwandlung zwischen der niedrigen Impedanz des Festkörperschalters 200 und der hohen Impedanz des Hohlleiters 400 vornimmt.
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Der Hohlleiter 400 weist ein drittes Längsende 410 und ein viertes Längsende 420 auf. Der Hohlleiter 400 ist zylindrisch ausgebildet und weist eine rechteckige Querschnittsfläche auf, die der Querschnittsfläche des Horn-Wellenleiters 300 an dessen zweitem Längsende 320 entspricht. Der Hohlleiter 400 ist an seinem dritten Längsende 410 mit dem zweiten Längsende 320 des Horn-Wellenleiters 300 verbunden. Auch der Hohlleiter 400 weist Wände aus elektrisch leitendem Material, bevorzugt aus Metall, auf.
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3 zeigt zur Verdeutlichung eine perspektivische Ansicht des HF-Generators 100. Erkennbar ist insbesondere, dass der konische Abschnitt 360 des Horn-Wellenleiters 300 zwei zueinander parallele Wände 390, 395 und zwei zu den Wänden 390, 395 senkrechte, gegeneinander geneigte Wände 370, 380 aufweist.
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4 zeigt eine Aufsicht auf einen HF-Generator 1100 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Der grundlegende Aufbau und die Funktionsweise des HF-Generators 1100 der zweiten Ausführungsform entsprechen denen des HF-Generators 100 der ersten Ausführungsform.
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Der HF-Generator 1100 umfasst einen Festkörperschalter 1200, einen Horn-Wellenleiter 1300 und einen Hohlleiter 1400. Der Festkörperschalter 1200 entspricht in Aufbau und Funktion dem Festkörperschalter 200 des HF-Generators 100 der ersten Ausführungsform. Der Hohlleiter 1400 entspricht in Aufbau und Funktion dem Hohlleiter 400 des HF-Generators 100 der ersten Ausführungsform.
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Der Horn-Wellenleiter 1300 ersetzt beim HF-Generator 1100 der zweiten Ausführungsform den Horn-Wellenleiter 300 des HF-Generators 100 der ersten Ausführungsform. Der Horn-Wellenleiter 1300 weist einen zylindrischen Abschnitt 1350 und einen konischen Abschnitt 1360 auf, die in z-Richtung hintereinander angeordnet sind und dem zylindrischen Abschnitt 350 bzw. dem konischen Abschnitt 360 des Horn-Wellenleiters 300 des HF-Generators 100 der ersten Ausführungsform entsprechen.
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Allerdings weist der konische Abschnitt 1360 des Horn-Wellenleiters 1300 anstelle der dritten Wand 390 und der vierten Wand 395 eine fünfte Wand 1390 und eine sechste Wand 1395 auf. Die fünfte Wand 1390 und die sechste Wand 1395 sind nicht parallel zueinander orientiert. Stattdessen sind die fünfte Wand und die sechste Wand 1395 zueinander geneigt angeordnet und schließen einen horizontalen Öffnungswinkel 1340 ein. Somit weitet sich beim Horn-Wellenleiter 1300 der konische Abschnitt 1360 nicht nur in y-Richtung sondern auch in x-Richtung.
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Am vierten Längsende 420 kann der Hohlleiter 400 des HF-Generators 100 bzw. der Hohlleiter 1400 des HF-Generators 1100 an eine HF-Kavität gekoppelt sein. Geeignete Koppelstrukturen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die HF-Kavität kann beispielsweise eine HF-Kavität eines Teilchenbeschleunigers sein. In diesem Fall kann die durch den HF-Generator 100, 1100 erzeugte HF-Leistung im Teilchenbeschleuniger zur Beschleunigung elektrisch geladener Teilchen dienen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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