DE2206656A1

DE2206656A1 - Mikrowellen-Massendetektor

Info

Publication number: DE2206656A1
Application number: DE19722206656
Authority: DE
Inventors: Tadeusz Bronislaw London. M Jawor
Original assignee: Molins Ltd
Current assignee: Mpac Group PLC
Priority date: 1971-02-11
Filing date: 1972-02-11
Publication date: 1972-10-19
Also published as: DE2206656B2; GB1376747A; DE2206656C3; US3783373A

Description

Die Lrfindung betrifft eine Vorrichtung zum überv.'achen der Dichte eines Strangs aus dem zu testenden /iaterial, wie z.B. der Dichte eines Tabakstrangs in einer einen durchlaufenden Strang erzeugenden Zigarettenmaschine. Wie weiter unten deutlich wird, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur Überwachung der Dichte von i^;lüssigkeiten benutzt werden.

Bei einer einen durchlaufenden Strang erzeugenden Zigarettenmaschine, die Tabak zu einem durchlaufenden Strang formt, den Strang in Papier hüllt und den umhüllten Strang in die einzelnen Zigaretten darstellende Längenabschnitte zerschneidet, ist es erforderlich, daii möglichst geringe Abweichungen der ilasse pro Längeneinheit ties Tabakstrangs von ihrem gewünschten Wert erzielt wird.

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Daher sind für die Überwachung der .lasse pro Längeneinheit des Tabakstrangs (die der Einfachheit halber als Jichte bezeichnet wird) und für die Steuerung der Zufuiir und/oder der Zurichtvorrichtungen in Abhängigkeit von der beobachteten Dichte verschiedene Mittel vorgesehen worden. Ganz besonders ist eine Vorrichtung verwendet worden, bei der Beta-Strahlung durch den Strang hindurchgeleitet und die austretende Strahlung zur Lrze^gung eines Steuersignals für die Tabakzufuhr und/oder Zurichtvorrichtungen verwendet wird, da die Abschwächung der durch den Tabak hindurchtretenden Beta-Strahlung sich mit der Tabakdichte ändert. Während solche Beta-Strahl-Vorrichtungen sich in mancher Hinsicht als zufriedenstellend erwiesen haben, so verursaciien sie docu liegen der ständigen Anwesenheit von radioaktivem iaterial als Quelle für die Beta-Strahlung üngelegenheiten und einiger Aufwand ist für die Handhabung eines solchen materials bei Beachtung der erforderlichen Sicherheitsvorschriften erforderlich, Darüber hinaus ist der Strahlungsemissionspegel in Wahrheit nicht konstant, da die Beta-Strahlung im wesentlichen eine zufällige Lmission von Teilchen mit einem stetigen und nicht gleichförmigen L-nergiespektrum.

Cs ist die Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Vorrichtung zur Überwachung der Dichte des Tabakstrangs bereitzustellen, die eine Verwendung von radioaktivem rlaterial nicht erforderlich macht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen der Dichte eines Tabakstrangs in einer einen durchlaufenden Strang erzeugenden

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ZigarettenmascMne oder eines älmlichen Gegenstandes ist dadurch gekennzeichnet, daß eine .-liieroweIlen abstrahlende Quelle, ein iJetektor für diese Strahlung und ein Wellenleiter für die Führung der Strahlung von der Quelle zum Detektor hin vorgesehen sind, der Wellenleiter einen Abschnitt von so geringem Querschnitt aufweist, daß sich die Strahlung durch diesen Abschnitt in der abklingenden .lode (evanescent mode) fortpflanzt, und dieser Abschnitt des Wellenleiters mit öffnungen versehene Wände für die Bewegung des Stranges durch den Strahlungspfad hindurch aufweist.

Bei der Verwendung von Mikrowellenstrahlung ist radioaktives Material nicht erforderlich und die Quelle kann selbstverständlich entregt werden, wenn die fJbe.rwachungsvorrichtung nicht zu arbeiten braucht.

Der Jetektor stellt ein Ausgangssignal bereit, das von jeder Änderung beeinflußt wird, der die Mikrowelljnstrahlung während, ihres Durchlaufs durch den Wellenleiter (Hohlleiter) unterworfen ist; insbesondere wird die Strahlung von jeder durch die Gegenwart des Tabakstranges oder eines ähnlichen Gegenstands hervorgerufene Abschwächung beeinflußt, !line solche Abschwächung kann ihre Ursache in der Absorption von Strahlung durch den Tabak und/oder durch die Verstimmung des Hohlleiters haben, d.h. durch die Änderung des "Q"-I-"aktors des Wellenleiters durch die Gegenwart des Tabaks.

Ls ist wünschenswert, für Schwankungen in der Ausgangsleistung der Quelle eine automatische Kompensation bereitzustellen. Vorzugsweise sdiießt die Quelle einen Mikrowellen-Generator (z.B.

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eine Gunn-Vorrichtung in einem Hohlraumresonator) ein, der seine Ausgangsstrahlung an einen Richtkoppler liefert, der zum Aufspalten der Mikrowellenstrahlung in zvei Strahlen gleicher Intensität angeordnet ist. Bei dieser Anordnung werden die beiden Strahlen auf gesonderte üetektorvorrichtungen über getrennte, aber ähliche Wellenleiter gerichtet, wobei die Wellenleiter mit öffnungen versehene Wände aufweisen, damit der Tabakstrang durch einen der Hohlleiter hindurchtreten kann, so daß wenigstens ein Teil des sich durch diesen Hohlleiter hindurch fortpflanzenden Mikrowellen-Strahls durch den Strang hindurchtreten muß und/die den durch diesen Hohlleiter hindurchüetenden Strahl empfangende Detektorvorrichtung auf diese Weise ein Heßsignal erzeugt, das sich mit den Änderungen der Strangdichte ändert. Die dem anderen Hohlleiter zugeordnete üetektorvorrichtung erzeugt ein Bezugssignal und der Vergleich des Meßsignals und des Bezugssignals (z.B. durch Subtraktion des einen Signals von dem anderen) führt zu einem Steuersignal, das von irgendwelchen Schwankungen in der Ausgangsleistung der Quelle nicht beeinflußt wird.

In dem Hohlleiterabschnitt, der einen engen Querschnitt aufweist, so daß die Strahlung sich durch die in der abklingenden Mode fortpflanzt, ist die charakteristische Impedanz aus praktischen Gründen rein induktiv, so daß durch die Bereitstellung einer geeigneten Kapazität (z.B. eine oder mehrere Abstimmschrauben) eine vollständige Transmission der Mikrowellenenergie über ein schmales Frequenzband erreicht werden kann. Der verringerte Querschnitt dieses Abschnitts läßt ihn als einen besonders geeigneten Platz für die öffnungen in den Wänden des Pohlleiters erscheinen, durch

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die der Tabakstrang hindurchgeführt werden kann.

Das Betriebsverhalten einer gemäß der Erfindung gestalteten Vorrichtung kann durch Veränderungen im Feuchtigkeitsgehalt des Tabaks negativ beeinflußt werden, da eine änderung des Feuchtigkeitsgehalts die Vorrichtung in derselben Weise wie eine Änderung der Tabakdichte beeinflussen kann. In den Fällen, in denen eine Änderung des Feuchtigkeitsgehalts wahrscheinlich ist, kann die Überwachungsvorrichtung verdoppelt werden. Die beiden Teile der Vorrichtung erzeugen verschiedene Frequenzen (z.B. 10 GHz und 30 GHz) und von den beiden erzeugten Signalen können Sekundärsignale abgeleitet werden (z.B. mittels eines Analog-Netzwerks), die eine getrennte Anzeige der Tabakdichte und des Feuchtigkeitsgehalts ermöglichen. In einer/solchen verdoppelten Vorrichtung wird eine derartige Anordnung getroffen, daß sich die Strahlung mit niederer Frequenz (z.B. 10 GHz) in abklingender Mode in dem engen Abschnitt des Hohlleiters fortpflanzt, während die Strahlung mit höherer Frequenz (z.B. 30 GHz) sich über den ganzen Weg in normaler Mode fortplfanzt.

Jm die Erfindung verständlicher zu machen, sollen nun bevorzugte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. I eine Ausführungsform der Überwachungsvorrichtung gemäß der Erfindung, und

lig. Z eine komplexere Ausführungsform der Erfindung.

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Bei der Ausführungsform gemäß Fig.1 ist der Ausgang einer Mikrowellen abstrahlenden Quelle 1 direkt an einen 3db-Richtkoppler 2 angeschlossen, der darüber hinaus mit einer Dummy-Last 3 und zwei Hohlleitern 4 und 5 verbunden ist. üie von der Quelle 1 gelieferte Mikrowellenstrahlung wird dementsprechend in gleicher Weise auf die beiden Hohlleiter 4 und 5 verteilt und ein "iikrowellenstrahl läuft durch jeden der Hohlleiter zu einer Detektoreinheit 6 bzw. 7; die Detektoreinheit 6 ist an den Hohlleiter 4 gekoppelt und enthält eine Diode 8, deren Ausgangssignal einem Verstärker zugeführt wird, während die Einheit 7 an den Hohlleiter 5 angekoppelt ist und eine Diode 9 enthält, die in ähnlicher Weise mit einem Verstärker 11 verbunden|ist. Die entsprechenden Teile der Vorrichtung sind wechselseitig gleich, d.h. die Hohlleiter 4 und 5 weisen gleichartige Dimensionen auf, die Diode 8 entspricht der Diode 9 und der Verstärker 10 entspricht dem Verstärker 11.

Jeder der beiden Hohlleiter 4 und 5 ist so dimensioniert, daß er in der abklingenden Mode arbeitet, z.B. arbeitet die Quelle 1 in brauchbarer Weise bei einer Frequenz von 10 GIIz und bei dieser Frequenz kann jeder der beiden Hohlleiter einen Querschnitt von 8,5 mm mal 4,0 mm und eine Länge 34 mm aufweisen. Jeder der beiden Wellenleiter ist mit vier Abstimmschrauben 12 versehen. In der Mitte der Hohlleiter 4 und 5 weisen die Seitenwände des einzelnen Wellenleiters einander entsprechende öffnungen 13 bzw. 14 auf, deren Größe so bemessen ist, daß ein Tabakstrang (der sich senkrecht zur Zeichenebene bewegt), dessen Dichte bestimmt werden soll,durch die Öffnungen hindurchtreten kann. In der Nähe dieser

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Öffnungen sind Abschirmungen 15 vorgesehen, die den Kohlleiter gegenüber dem Eintritt von Fremdkörpern verschließen, wobei die Abschirmungen aus Glas mit niedrigen Verlusten hergestellt sind, um die Abschwächungen der Mikrowellenstrahlen gering zu halten. Nach Wunsch können nicht gezeigte Wellenschlucker bekannter Bauart an den Öffnungen 13 und 14 angeordnet w^rerden, um den Austritt von . iikrowellenstrahlung auf ein Minimum herabzusetzen. Weiter mag es von Vorteil sein, daß zwischen der Quelle 1 und dem Koppler 2 ein nicht gezeigter Polarisationsfilter zwischengeschaltet wird, um die Möglichkeit der Rückkehr von reflektierter Strahlung zur Quelle hin zu verringern; solch ein Filter kann ebenfalls zwischen jedem der Hohlleiter 4 und 5 und seiner zugeordneten Detektoreinheit 6 bzw. 7 geschaltet werden, da zum Teil der eingebrachte Tabakstrang die Polarisationsebene der Mikrowellenstrahlung drehen kann; daher dient ein an der beschriebenen Stelle angebrachter Polarisationsfilter zur Vergrößerung des Wirkeffekts des Vorhandenseins des Stranges auf den an der Detektoreinheit vorhandenen Strahlungspegel.

Es soll festgehalten werden, daß die Quelle 1 Mittel zur Modulierung des Mikrowellenausgangs einschließt, da dann die Verstärker 10 und 11 Wechselspannungsverstärker sein können. Bei einer Mikrowellenfrequenz von 10 GHz kann in passender Weise mit einer 10 KHz Rechteckwelle moduliert werden, die z.B. von einem einfachen Multivibrator zur Verfügung gestellt wird. Nach Wunsch können an den Ausgängen der Verstärker 10 und 11 Dioden angeordnet sein, so daß die Ausgangssignale Gleichspannungssignale

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sind; es ist insbesondere nützlich, da dann eine Berechnungsvorrichtung 16, z.B. ein Analog-Netzwerk, direkt an diese Ausgänge angekoppelt werden kann, um daraus ein einziges die Strangdichte darstellendes Signal abzuleiten.

Die Fig. 2 stellt eine komplexere Übertv'achungsvorrichtung dar, die ebenfalls von der Erfindung Gebrauch macht. Bei dieser Vorrichtung wird die Tatsache berücksichtigt, daß ein Material wie Tabak normalerweise Feuchtigkeit enthält, die die mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 erzielten Ergebnisse beeinflußt, so daß die Vorrichtung nach Fig. 1 nicht zur Bestimmung der Dichte des :1aterials herangezogen werden kann, wenn nicht der Anteil der vorhandenen Feuchtigkeit getrennt bestimmt wird.

Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung schließt viele Teil ein, die Teilen in der Fig. 1 entsprechen, nämlich eine Quelle 101, einen Koppler 102, eine Dummy-Last 103, zwei Hohlleiter 104 und 105, zwei Detektoreinheiten 106 und 107, zwei Dioden 108 und 109 und zwei Verstärker 110 und 111,(die den Teilen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 bzw. 11 der Fig.1 entsprechen). Zusätzlich ist eine zweite Mikrowelleriiabstrahlende Quelle 121 vorgesehen, deren Ausgangsleistung einer Hybridverbindung 122 ("magisches T") zugeführt wird, von dem ausgehend sich die Ausgangsenergie gleichmäßig auf die beiden möglichen Fortpflanzungsrichtungen längs eines Hohlkörpers 123 verteilt, der sich rechtwinklig zu den Hohlleitern 104 und 105 erstreckt. Die Hohlleiter 104 und 105 sind in der gleichen Weise wie die Hohlleiter 4 und 5 der Fig. 1 mit öffnungen versehen, so daß ein sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckender

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Tabakstrang durch den Pfad der Mikrowellenstrahlung hindurchtreten kann, die sich längs des Hohlleiters 104 fortpflanzt, und so daß die beiden Hohlleiter 104 und 105 wechselseitig gleich sind, obwohl kein Strang durch die öffnungen des Hohlleiters 105 hindurchgeführt wird. Weiterhin sind die Hohlleiter 104 und 105 aber auch so mit öffnungen versehen, daß auch die Mikrowellenstrahlung hindurchtreten kann, die sich längs des Hohlleiters 123 fortpflanzt, der die beiden Hohlleiter 104 und 105 kreuzt. Die Hybridverbindung 122 ist symmetrisch zwischen den beiden Hohlleitern 104 und 105 angeordnet und der Hohlleiter 123 erstreckt sich gleich weit auf beiden Seiten der Verbindung 122; die Teile des Hohlleiters 123 sind funktionsmäßig gesehen getrennte Hohlleiter, die wechselseitig ähnliche Pfade für die Mikrowellenstrahlung von der Verbindung 122 zu den beiden Dioden 124, 125 enthaltenden Detektoreinheiten bereitstellen. Die Dioden 124 und 125 sind symmetrisch im Bereich der Enden des Hohlleiters 123 montiert und dienen als Detektoren und sind an Verstärker 126 bzw. 127 angekoppelt.

Jede der beiden Quellen 101 und 121 ist für die Erzeugung eines modulierten Mikrowellenausgangssignals ausgelegt, wobei die Trägerfrequenzen und die Modulationsfrequenzen aber verschieden sind.

kann
Zum Beispiel/die Quelle 101 einen 10 GIIz-Träger moduliert mit 10 KHz erzeugen, während die Quelle 121 einen 30 GHz-Träger moduliert mit 1 MHz erzeugt. Die Dioden 108, 109, 124 und 125 dienen alle als Demodulatoren,so daß die Verstärker 110,111, 126 und 127 alle Wechselspannungsverstärker sind, die bei den Modulationsfrequenzen arbeiten, d.h. die Verstärker 110 und 111 arbei-

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ten bei 10 KUz und die Verstärker 126 und 127 bei 1 MHz.Die Ausgangssignale der vier Verstärker 110, 111, 126 und 127 werden a£ abgestimmte Filter 112, 113, 128 bzw. 129 gegeben, wobei jeder dieser Filter exakt auf die zugeordnete Modulationsfrequenz abgestimmt ist, um jedes "Übersprechen" zu verhindern und an seinem Ausgang einen Gleichrichter enthält, so daß die vier abgestimmten Filter Gleichspannungsausgangssignale zur Verfügung stellen. Diese Gleichspannungsausgangssignale werden zwei Analog-Vergleicherkreisen 114 und 130 zugeführt, wobei der Kreis 114 die Ausgangssignale der Filter 112 und 113 und der Kreis 130 die Ausgangssignale der Filter 128 und 129 erhält. Jeder der Analog-Kreise ist für eine Erzeugung eines einzigen Ausgangssignals ausgelegt, das das Verhältnis zwischen den beiden von ihn empfangenen Gleichspannungsignalen darstellt. Die beiden dem Kreis 114 zugefihrten Signale stellen ein Informationssignal (d.h. ein von der Mikrowellenstrahlung abgeleitetes Signal, die durch den Hohlleiter 104 und damit durch den Tabakstrang hindurchgetreten ist) und ein Bezugssignal dar (d.h. ein von der Mikrowellenstrahlung abgeleitetes Signal, die durch den Hohlleiter 105 hindurchgelaufen und nicht durch den Strang hindurchgetreten ist, aber andererseits genauso wie die Strahlung behandelt worden ist, von der das Informationssignal abgeleitet worden is^). Der Kreis 114 erzeugt ein Ausgangssignal, das das Verhältnis:

Informationssignal _ _R
Bezugssignal

darstellt und es kann auf einfache Weise gezeigt werden, daß R » 1 - (aV + bW)

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ist, worin V und W die entsprechenden Volumina der festen Materie (Tabak) und des Wassers im Strahlungspfad sind, von dem das Informationssignal abgeleitet wurde, und worin a und b Konstante sind. Eine entsprechende Gleichung mit unterschiedlichen Konstanten kann auf das Ausgangssignal des Kreises 130 angewendet werden; auf diese Weise ermöglichen es die beiden Gleichungen die Werte von V und W von den Werten der Ausgangssignale der Kreise 114 und 130

in

abzuleiten. Geeignete Berechnungsmittel/der Form eines Analogen Netzwerks 131 zur Lösungder Gleichungen könn/zur Aufnahme der Ausgangssignale der Kreise 114 und 130 verbunden werden, womit die Werte V und W fortlaufend berechnet und über getrennte Ausgänge 132 und 133 (als sich verändernde Spannungen oder auf andere Weise) abgegeben werden wenn ein Strang durch den Pfad der Mikrowellenstrahlung hindurchbewegt wird, die sich längs des Hohlleiters 104 ausbreitet.

Die Hohlleiterdimensionen sind so gewählt, daß die 10 GHz-Strahlung der Quelle 101 sich durch die Hohlleiter 104 und 105 in abklingender Mode fortpflanzt, während die 30 GIIz-Strahlung der Quelle 121 durch den Hohlleiter 123 in normaler Mode fortgeleitet wird.

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Claims

Patentansprüche

( 1Λ Vorrichtung zum Überwachen der Dichte eines Tabakstrangs in einer einen durchlaufenden Strang erzeugenden Zigarettenmaschine oder eines ähnlichen Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß eine ilikrowellenjhbstrahlende Quelle (1), einen detektor (6) für diese Strahlung und einen Wellenleiter (4) für die Führung der Strahlung von der Quelle zum Detektor hin vorgesehen sind, der Wellenleiter einen Abschnitt von so geringem Querschnitt aufweist, daß sich die Strahlung durch diesen Abschnitt in der abklingenden Mode (evanescent mode) fortpflanzt und dieser Abschnitt des Wellenleiters mit öffnungen (13) versehene Wände die Bewegung des Stranges durch den Strahlungspfad hindurch aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Detektor (7) Mittel (2) zur Aufspaltung der von der Quelle (1) kommenden Strahlung in zwei Strahlen und zum Ein-

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lenken eines der Strahlen in den Wellenleiter (4), ein zweiter Wellenleiter (5), der zur Aufnahme des anderen Strahls und zur Führung des anderen Strahls zum zweiten Detektor (7) hin angeordnet ist, und lüttel (16) für den Vergleich der vom ersten Detektor (6) erzeugten Ausgangssignale mit den vom zweiten Detektor (7) erzeugten Ausgangssignalen vorgesehen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Aufspaltung aus einem Richtkoppler (2) bestehen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Mikrowellen abstehlende Quelle (121) ein weiterer Detektor (124) und ein weiterer Wellenleiter (123) vorgesehen sind, der zur Aufnahme der Strahlung der zweiten Quelle (121) und zur Führung idieser Strahlung zu dem weiteren Detektor (124) hin angeordnet ist, wobei die zweite Quelle für einen Betrieb mit einer sich von der Frequenz der ersten Quelle (1) unterscheidenden Frequenz ausgelegt ist und der weitere Wellenleiter (123) für ein Durchkreuzen des engen Abschnitts des anderen Wellenleiters (4) angeordnet ist derart, daß der Strang gleichzeitig durch den Strahlungspfad der Strahlung in dem engen Abschnitt und durch den der Strahlung in dem weiteren Wellenleiter (123) bewegt werden kann.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Quelle (121) für einen Betrieb mit einer solchen Frequenz ausgelegt ist, daß sich die Mikrowellenstrahlung von

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der Quelle durch den x^eiteren Wellenleiter (123) in der normalen ;Iode fortpflanzt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Detektor (125) ein zusätzlicher Wellenleiter (123), der dem weiteren Wellenleiter gleicht und einen Pfad für die Strahlung von der ziveiten Quelle (121) zu dem zusätzlichen Detektor (125) bereitstellt, und weitere Mittel (130) für den Vergleich der von dem weiteren Detektor erzeugten Ausgangssignale mit dem vom zusätzlichen Detektor erzeugten Ausgangssignale vorgesehen sind.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß Berechnungsmittel (131) vorgesehen sind, die für den Empfang der Ausgangssignale sowohl der Vergleichsmittel (16;114) als auch der weiteren Vergleichsmittel (130) geschaltet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungsmittel ein Analog-Netzwerk (131) sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Wellenleiter und der zusätzliche Wellenleiter einstückig (123) ausgebildet sind und sich in entgegengesetzten Richtungen von der zweiten Quelle (121,122) fort erstrecken.

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