DE102011006983A1 - HF-Generator - Google Patents

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Oliver Heid
Timothy Hughes
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    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00Coupling devices of the waveguide type
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    • H01P5/022Transitions between lines of the same kind and shape, but with different dimensions
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    • H03BGENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
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    • H05H7/00Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/02Circuits or systems for supplying or feeding radio-frequency energy

Abstract

Ein 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 einer x-y-Ebene angeordnete zweite Querschnittsfläche des Horn-Wellenleiters am zweiten Längsende. Ferner ist das zweite Längsende des Horn-Wellenleiters 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. Schließlich ist der Festkörperschalter von einem metallischen Schirmgehäuse umschlossen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen HF-Generator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen Teilchenbeschleuniger mit einem HF-Generator gemäß Patentanspruch 18.
  • 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 unvermeidbare Leistungsverluste auf. Außerdem weisen derartige Anordnungen einen hohen Platzbedarf auf.
  • 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.
  • 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 18 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • 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 einer x-y-Ebene angeordnete zweite Querschnittsfläche des Horn-Wellenleiters am zweiten Längsende. Das zweite Längsende des Horn-Wellenleiters ist dabei 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. Ferner ist der Festkörperschalter von einem metallischen Schirmgehäuse umschlossen.
  • 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. Durch das Schirmgehäuse wird vorteilhafterweise sichergestellt, dass Oberflächenströme auf das Innere des Horn-Wellenleiters und des Hohlleiters beschränkt bleiben. Dadurch wird vorteilhafterweise auch eine übermäßige Abstrahlung elektromagnetischer Energie durch den HF-Generator verhindert, wodurch Störeinflüsse auf andere Geräte in der Umgebung des HF-Generators minimiert werden.
  • Es ist zweckmäßig, dass der Festkörperschalter ausgebildet ist, eine elektromagnetische Schwingung mit einer ersten Frequenz anzuregen und das Schirmgehäuse keine Eigenfrequenz bei der ersten Frequenz aufweist. Vorteilhafterweise ergibt sich dann eine hohe Impedanz des Schirmgehäuses bei der Betriebsfrequenz des Festkörperschalters.
  • Bevorzugt ist innerhalb des Schirmgehäuses ein dielektrisches Material angeordnet. Vorteilhafterweise können dadurch die äußeren Abmessungen des Schirmgehäuses klein gehalten werden.
  • Besonders bevorzugt ist das dielektrische Material ein ferromagnetisches Material.
  • Es ist zweckmäßig, dass das Schirmgehäuse elektrisch leitend mit dem Horn-Wellenleiter verbunden ist.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des HF-Generators ist der Festkörperschalter mit einer elektrischen Versorgungsleitung verbunden, die als Koaxialleitung ausgebildet. Dabei ist ein Außenleiter der Koaxialleitung leitend mit dem Schirmgehäuse verbunden. Vorteilhafterweise wird dadurch die Ausbildung von Erdschleifen vermieden und die Versorgungsleitung in das Abschirmkonzept mit eingebunden.
  • Bevorzugt ist der Festkörperschalter in einer x-z-Ebene angeordnet. Vorteilhafterweise kann der Festkörperschalter dann eine hochfrequente elektromagnetische Spannung zwischen zwei einander gegenüberliegenden Wänden des Horn-Wellenleiters anlegen.
  • 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.
  • In einer Weiterbildung des HF-Generators weist der Festkörperschalter eine Mehrzahl erster Ausgangsanschlüsse auf, die in z-Richtung hintereinander auf der Oberseite des Festkörperschalters angeordnet sind. Dabei weist der Festkörperschalter außerdem eine Mehrzahl zweiter Ausgangsanschlüsse auf, die in z-Richtung hintereinander auf der Unterseite des Festkörperschalters angeordnet sind. Vorteilhafterweise kann der Festkörperschalter dann einen Strom an mehreren Positionen des Horn-Wellenleiters injizieren.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des HF-Generators ist durch den Festkörperschalter eine Schwingungsmode im Horn-Wellenleiter anregbar, die einen zeit- und ortsabhängigen Stromfluss in der ersten Wand des Hohlleiters bewirkt. Dabei weist der Stromfluss an den Positionen der ersten Ausgangsanschlüsse jeweils die gleiche Phasenlage auf. Vorteilhafterweise können die ersten Ausgangsanschlüsse des Festkörperschalters dann alle synchron einen Stromfluss in der ersten Wand des Horn-Wellenleiters anregen.
  • Bevorzugt weist der Hohlleiter einen rechteckigen Querschnitt auf. Vorteilhafterweise verfügt ein Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt über geeignete Schwingungsmoden, beispielsweise über eine TE10-Schwingungsmode.
  • Besonders bevorzugt weist auch der Horn-Wellenleiter einen rechteckigen Querschnitt auf. Vorteilhafterweise können der Horn-Wellenleiter und der Hohlleiter dann ineinander übergehend ausgebildet werden und ermöglichen eine Weiterleitung von HF-Leistung vom Horn-Wellenleiter in den Hohlleiter.
  • In einer Ausführungsform des HF-Generators weitet sich der Horn-Wellenleiter zwischen dem ersten Längsende und dem zweiten Längsende in y-Richtung auf.
  • In einer Weiterbildung des HF-Generators weitet sich der Horn-Wellenleiter zwischen dem ersten Längsende und dem zweiten Längsende auch in x-Richtung auf.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
  • 1 einen Schnitt durch einen HF-Generator;
  • 2 eine perspektivische Darstellung des HF-Generators;
  • 3 eine Aufsicht auf den HF-Generator;
  • 4 ein Detail eines HF-Generators gemäß einer bevorzugten Weiterbildung; und
  • 5 ein weiteres Detail des HF-Generators.
  • 1 zeigt einen Schnitt durch einen HF-Generator 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 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.
  • 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.
  • 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 von 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.
  • 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.
  • Auf der Leiterplatte 230 sind ein oder mehrere Transistoren 240 angeordnet, die zum Schalten von HF-Leistung ausgebildet sind. Bei dem einen oder den 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.
  • 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.
  • 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 ersten Längsende 310 und der Mittenposition 330 erstreckt sich ein zylindrischer Abschnitt 350 des Horn-Wellenleiters 300. Zwischen der Mittenposition 330 und dem zweiten Längsende 220 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.
  • 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.
  • 2 zeigt eine perspektivische Darstellung des HF-Generators 100. 3 zeigt eine Aufsicht auf den HF-Generator 100. Aus 2 und 3 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.
  • In einer alternativen Ausführungsform sind die dritte Wand 390 und die vierte Wand 395 des konischen Abschnitts 360 nicht parallel zueinander orientiert, sondern weisen einen horizontalen Öffnungswinkel zueinander auf, sodass die Querschnittsfläche des Horn-Wellenleiters 300 im konischen Abschnitt 360 nicht nur in y-Richtung sondern auch in x-Richtung zunimmt.
  • Der erste Ausgangsanschluss 210 des Festkörperschalters 200 ist am ersten 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 erste 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.
  • 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.
  • 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 220 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. Der Horn-Wellenleiter 300 und der Hohlleiter 400 können einstückig ausgebildet sein.
  • 1 bis 3 zeigen, dass der Festkörperschalter 200 von einem Schirmgehäuse 500 umgeben ist, das den Festkörperschalter 200 vollständig umschließt. Das Schirmgehäuse 500 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, bevorzugt aus einem Metall. Das Schirmgehäuse 500 ist am ersten Längsende 310 des Horn-Wellenleiters 300 elektrisch leitend mit dem Horn-Wellenleiter 300 verbunden. Durch das Schirmgehäuse 500 wird sichergestellt, dass Oberflächenströme auf den Wänden 351, 352, 370, 380, 390, 395 des Horn-Wellenleiters 300 auf das Innere des Horn-Wellenleiters 300 beschränkt bleiben. Dadurch wird auch eine elektromagnetische Abstrahlung des HF-Generators 100 in die Umgebung reduziert. Dies hat den Vorteil, dass der HF-Generator 100 keine Störeinflüsse auf in der Umgebung des HF-Generators 100 angeordnete weitere Geräte ausübt.
  • Das Schirmgehäuse 500 ist so ausgebildet, dass es bei der Betriebsfrequenz des Festkörperschalters 200, also bei der Betriebsfrequenz des gesamten HF-Generators 100, eine hohe Impedanz aufweist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass das Schirmgehäuse 500 so ausgebildet wird, dass es keine Resonanz bzw. keine Eigenmoden, bei der Betriebsfrequenz des HF-Generators 100 aufweist. Die resonanten Eigenmoden des Schirmgehäuses 500 sollten sich also bei Frequenzen befinden, die von der Betriebsfrequenz des Festkörperschalters 200 und des HF-Generators 100 möglichst weit entfernt liegen.
  • Das Erfordernis einer hohen Impedanz bei der Betriebsfrequenz des HF-Generators 100 erfordert in der Regel ein Schirmgehäuse 500 mit erheblichen äußeren Abmessungen. Die Abmessungen des Schirmgehäuses 500 können allerdings reduziert werden, indem im Inneren des Schirmgehäuses 500 ein dielektrisches Material 510 angeordnet wird. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem dielektrischen Material 510 um ein ferromagnetisches Material.
  • Wird durch den Festkörperschalter 200 eine elektromagnetische Schwingung im Horn-Wellenleiter 300 des HF-Generators 100 angeregt, so bewirkt die im Horn-Wellenleiter 300 angeregte elektromagnetische Schwingung einen Orts- und zeitabhängigen Stromfluss in den Wänden 351, 352, 370, 380, 390, 395 des Horn-Wellenleiters 300. Die ortsabhängige Amplitude und Phasenlage des zeitlich periodischen Stromflusses ist dabei von der in dem Horn-Wellenleiter 300 angeregten Schwingungsmode abhängig. An unterschiedlichen Positionen der Wände 351, 352, 370, 380, 390, 395 des Horn-Wellenleiters 300 weist der zeitabhängige periodische Stromfluss dabei jeweils dieselbe Phasenlage auf. Diese Positionen können in z-Richtung des Horn-Wellenleiters 300 beispielsweise gemäß einem Kosinus verteilt sein. Die Existenz mehrerer Punkte mit gleicher Phasenlage ermöglicht es, an allen diesen Punkten gleichzeitig synchron einen Stromfluss zu injizieren, um die gewünschte Schwingungsmode im Horn-Wellenleiter 300 anzuregen.
  • 4 zeigt in schematischer Darstellung einen Ausschnitt einer alternativen Ausführungsform eines HF-Generators. 4 zeigt den Festkörperschalter 200 mit der Leiterplatte 230. In der in 4 gezeigten Ausführungsform sind auf der Oberseite 231 nicht nur ein erster Ausgangsanschluss 210, sondern eine Mehrzahl erster Ausgangsanschlüsse 210 angeordnet. Entsprechend sind auch auf der Unterseite 232 der Leiterplatte 230 des Festkörperschalters 200 nicht nur ein zweiter Ausgangsanschluss 220, sondern eine Mehrzahl zweiter Ausgangsanschlüsse 220 angeordnet. Die mehreren ersten Ausgangsanschlüsse 210 sind in z-Richtung hintereinander angeordnet und gemäß einer von der z-Position abhängigen Kosinusfunktion beabstandet. Auch die zweiten Ausgangsanschlüsse 220 sind in z-Richtung hintereinander angeordnet und gemäß einer von der z-Position abhängigen Kosinusfunktion voneinander beabstandet. Die ersten Ausgangsanschlüsse 210 befinden sich dabei in y-Richtung jeweils über den zweiten Ausganganschlüssen 220. Der Festkörperschalter 200 ist in der in 4 dargestellten Ausführungsform ausgebildet, zwischen allen ersten Ausgangsanschlüssen 210 und allen zweiten Ausgangsanschlüssen 220 die gleiche hochfrequente elektrische Spannung anzulegen und dadurch hochfrequente Ströme in die obere Wand 351 und die untere Wand 352 des Horn-Wellenleiters 300 einzukoppeln. Dadurch kann der HF-Generator 100 insgesamt eine höhere HF-Leistung erzeugen.
  • Die Verteilung der Ausgangsanschlüsse 210, 220 in z-Richtung ist von der gewünschten im Horn-Wellenleiter 300 anzuregenden. Schwingungsmode abhängig. Die Verteilung der Ausgangsanschlüsse 210, 220 in z-Richtung kann, wie in 4 dargestellt, einer Kosinusfunktion folgen. Die Verteilung in z-Richtung kann jedoch auch einer anderen Funktion folgen. Die örtliche Verteilung der Stromflüsse in den Wänden 351, 352, 370, 380, 390, 395 des Horn-Wellenleiters 300 bei unterschiedlichen elektromagnetischen Schwingungsmoden lässt sich berechnen und ist Fachleuten bekannt.
  • 5 zeigt einen weiteren Schnitt durch ein in 1 bis 3 nicht dargestelltes Detail des HF-Generators 100. 5 zeigt einen Abschnitt des Festkörperschalters 200 mit der Leiterplatte 230 und einen Abschnitt des Schirmgehäuses 500, das den Festkörperschalter 200 umschließt. Dargestellt sind außerdem zwei Zuleitungen 520, die den Festkörperschalter 200 mit elektrischer Energie versorgen. Die Zuleitungen 520 sind als Koaxialleiter mit jeweils einem Außenleiter 521 und einem Innenleiter 522 ausgebildet. Dabei ist der Außenleiter 521 jeder Zuleitung 520 elektrisch leitend mit dem Schirmgehäuse 500 verbunden. Der Innenleiter 522 jeder Zuleitung 520 ist mit einem Versorgungsanschluss des Festkörperschalters 200 verbunden, beispielsweise mit einem Anschluss des einen oder der mehreren Transistoren 240. Durch die Verbindung der Außenleiter 521 der Zuleitungen 520 mit dem Schirmgehäuse 500 wird die Bildung von Erdschleifen verhindert und die durch das Schirmgehäuse 500 geleistete Abschirmung auf die Zuleitungen 520 ausgedehnt. Anstelle zweier Zuleitungen 520 könnte auch lediglich eine Zuleitung 520 oder mehr als zwei Zuleitungen 520 vorgesehen sein.
  • Am vierten Längsende 420 kann der Hohlleiter 400 des HF-Generators 100 an eine in den Figuren nicht dargestellte 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 erzeugte HF-Leistung im Teilchenbeschleuniger zur Beschleunigung elektrisch geladener Teilchen dienen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 0606870 A1 [0003]

Claims (18)

  1. HF-Generator (100) mit einem Festkörperschalter (200), dadurch gekennzeichnet, dass der HF-Generator (100) einen in eine z-Richtung verlaufenden Horn-Wellenleiter (300) mit einem ersten Längsende (310) und einem zweiten Längsende (320) aufweist, wobei eine in einer x-y-Ebene angeordnete erste Querschnittsfläche des Horn-Wellenleiters (300) am ersten Längsende (310) kleiner ist als eine in einer x-y-Ebene angeordnete zweite Querschnittsfläche des Horn-Wellenleiters (300) am zweiten Längsende (320), wobei der HF-Generator (100) ferner einen in z-Richtung verlaufenden zylindrischen Hohlleiter (400) mit einem dritten Längsende (410) aufweist, wobei das zweite Längsende (320) des Horn-Wellenleiters (300) am dritten Längsende (410) des Hohlleiters (400) angeordnet ist, wobei der Festkörperschalter (200) am ersten Längsende (310) des Horn-Wellenleiters (300) angeordnet ist, um eine elektromagnetische Schwingung in dem Horn-Wellenleiter (300) anzuregen, wobei der Festkörperschalter (200) von einem metallischen Schirmgehäuse (500) umschlossen ist.
  2. HF-Generator (100) gemäß Anspruch 1, wobei der Festkörperschalter (200) ausgebildet ist, eine elektromagnetische Schwingung mit einer ersten Frequenz anzuregen, wobei das Schirmgehäuse (500) keine Eigenfrequenz bei der ersten Frequenz aufweist.
  3. HF-Generator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei innerhalb des Schirmgehäuses (500) ein dielektrisches Material (510) angeordnet ist.
  4. HF-Generator (100) gemäß Anspruch 3, wobei das dielektrische Material (510) ein ferromagnetisches Material ist.
  5. HF-Generator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schirmgehäuse (500) elektrisch leitend mit dem Horn-Wellenleiter (300) verbunden ist.
  6. HF-Generator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Festkörperschalter (200) mit einer elektrischen Versorgungsleitung (520) verbunden ist, wobei die Versorgungsleitung (520) als Koaxialleitung ausgebildet ist, wobei ein Außenleiter (521) der Koaxialleitung (520) leitend mit dem Schirmgehäuse (500) verbunden ist.
  7. HF-Generator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Festkörperschalter (200) in einer x-z-Ebene angeordnet ist.
  8. HF-Generator (100) gemäß Anspruch 7, wobei der Festkörperschalter (200) einen ersten Ausgangsanschluss (210) aufweist, der auf einer Oberseite (231) des Festkörperschalters (200) angeordnet ist, wobei der Festkörperschalter (200) einen zweiten Ausgangsanschluss (220) aufweist, der auf einer Unterseite (232) des Festkörperschalters (200) angeordnet ist, wobei der erste Ausgangsanschluss (210) elektrisch leitend mit einer ersten Wand (351) des Horn-Wellenleiters (300) verbunden ist, wobei der zweite Ausgangsanschluss (220) elektrisch leitend mit einer der ersten Wand (351) gegenüberliegenden zweiten Wand (352) des Horn-Wellenleiters (300) verbunden ist.
  9. HF-Generator (100) gemäß Anspruch 8, wobei der Festkörperschalter (200) eine Mehrzahl erster Ausgangsanschlüsse (210) aufweist, die in z-Richtung hintereinander auf der Oberseite (231) des Festkörperschalters (200) angeordnet sind, wobei der Festkörperschalter (200) eine Mehrzahl zweiter Ausgangsanschlüsse (220) aufweist, die in z-Richtung hintereinander auf der Unterseite (232) des Festkörperschalters (200) angeordnet sind.
  10. HF-Generator (100) gemäß Anspruch 9, wobei durch den Festkörperschalter (200) eine Schwingungsmode im Horn-Wellenleiter (300) anregbar ist, wobei die Schwingungsmode einen zeit- und ortsabhängigen Stromfluss in der ersten Wand (351) des Hohlleiters (400) bewirkt, wobei der Stromfluss an den Positionen der ersten Ausgangsanschlüsse (210) jeweils die gleiche Phasenlage aufweist.
  11. HF-Generator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlleiter (400) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
  12. HF-Generator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Horn-Wellenleiter (300) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
  13. HF-Generator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der Horn-Wellenleiter (300) zwischen dem ersten Längsende (310) und dem zweiten Längsende (320) in y-Richtung aufweitet.
  14. HF-Generator (100) gemäß Anspruch 13, wobei sich der Horn-Wellenleiter (300) zwischen dem ersten Längsende (310) und dem zweiten Längsende (320) in x-Richtung aufweitet.
  15. HF-Generator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Hohlleiter (400) und Horn-Wellenleiter (300) einstückig ausgebildet sind.
  16. HF-Generator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Horn-Wellenleiter (300) eine zwischen dem ersten Längsende (310) und dem zweiten Längsende (320) angeordnete Mittenposition (330) aufweist, wobei der Horn-Wellenleiter (300) zwischen dem ersten Längsende (310) und der Mittenposition (330) eine konstante Querschnittsfläche aufweist.
  17. HF-Generator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlleiter (400) ein viertes Längsende (420) aufweist, das mit einer HF-Kavität verbunden ist.
  18. Teilchenbeschleuniger mit einem HF-Generator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
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