DE2533351A1

DE2533351A1 - Hohlraumanordnung mit zwei bezugshohlraeumen zur frequenzabstimmung

Info

Publication number: DE2533351A1
Application number: DE19752533351
Authority: DE
Inventors: Ronald M Hutcheon
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Priority date: 1974-11-18
Filing date: 1975-07-25
Publication date: 1976-05-26
Also published as: CA994879A; JPS5159251A; FR2291618B1; GB1474833A; US3935552A; SE398952B; SE7508680L; FR2291618A1

Description

MÜLLER-BORE - GROENXNG · DUUTBEL ♦ SCHÖN · HERTEL

MÜNCHEN - BRAUNSCHWEIG - KÖLN 253335 1

25. JUU1975

OR. W. MOl LE R- BORf! · BHAUNSCHWC IQ H. W-GROE NlNO. DIF'l- -IHG - MÜNCHEN DR. P- DEUFE L, D¹PL-CHlW - MÜNCHEN DR A- SCHON, DlfL.-CHEM. - MÜNCHEN WERNER HERTEL₁ DtPL.-PHYS. - KÖLN

Hl/We~th - A 24-38

ATOMIC EIiERGY OF CAlTADA LIMITED Ottawa, Ontario, Kanada

Ilohlraumanordmmg; mit zwei Bezugshohlräuraen zur Frequenzabstimmung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung bzw. * Steuerung oder Abstimmung der Frequenz einer Hochenergie-Hohlraumanordnung und bezieht sich insbesondere auf eine Hohlraumanordnung mit zwei Bezugshohlräurnen, in welcher die Frequenz des Hochenergiehohlraumes als eine Funktion seiner Temperatur gesteuert bzw. eingestellt wird.

Hochenergie-Hohlraumanordnungen wie beispielsweise eine Besohleunigeranordnung werden durch HF-Energiequellen wie Magnetrons mit Energie versorgt. Um jedoch einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, muß die Energiequelle kontinuierlich überwacht werden und ihre Frequenz muß auf die Resonanzfrequenz der Energiehohlrauraanordnung eingestellt werden. Gegenwärtig geschieht dies durch eine Einstelleinrichtung bzw. Nachstelleinrichtung, welche zwei Bezugshohlraume aufweist, deren Besonanzfrequenzen auf etwa, gleichen Abständen oberhalb und unterhalt der Besonanzfrequenz der Energiehohlraumanordming liegen. Außerdem wird eine kleine HF-Energie gleichmäßig in

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jeden dieser Bezugshohlräume eingekoppelt, und der Energiepegel in jedem Hohlraum wird durch entsprechende Meßfühler ermittelt. Die Ausgangssignale von den Meßfühlern sind nur dann gleich, wenn sich die HF-Quelle auf der gewünschten Resonanzfrequenz befindet, und deshalb können sie in einer Rückkopplung βschaltung zu der HF-Quelle dazu verwendet werden, deren Frequenz einzustellen, um den Energiepegel in jedem Hohlraum gleich zu halten.

In einem Versuch, Bezugshohlräume zu erreichen, welche die Resonanzfrequenz der Hochenergie-Hohlraumanordnung überwachen bzw. nachstellen, wobei die Resonanzfrequenz temperaturabhängig ist, läßt man das aus der Hochenergieanordnung austretende Kühlfluid um die zwei Bezugshohlräume herum zirkulieren. Dies führt zu einer gewissen ResonanzfrequenzverSchiebung in den Be zugshohl räumen, wenn die Resonanzfrequenzverschiebung in der Hochenergieanordnung auftritt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Veränderung in der Resonanzfrequenz in der Hochenergieanordnung als Funktion der Temperatur des austretenden Wassers gewöhnlich den B.ezugshohlräumen nicht angepaßt ist. Außerdem ist der Temperatur-Frequenz-Koeffizient der Be zugshohl räume durch die Auswahl des Hohlraummaterials festgelegt. Diese Probleme werden durch die Tatsache verursacht, daß die Hochenergie-Hohlraumanordnung im Betrieb nicht gleichmäßig gekühlt werden kann.

Wenn die Anordnung eines Linearbeschleunigers als Beispiel genommen wird, so zeigt sich, daß das Kühlfluid die Wände des Beschleunigers auf einer niedrigeren Temperatur hält als die Enden der Bündelwegöffnungen durch die Hohlraumwände. Diese Temperaturunterschiede verursachen FrequenzverSchiebungen, welche nicht auf die Durchschnittstemperatur der Hochenergieanordnung bezogen werden können.

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Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Hochenergie-Hohlrauraanordnung mit zwei Bezugshohlräumen die Frequenz einer HF-Quelle auf besonders einfache V/eise außerordentlich genau zu überwachen und zu steuern.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Patentbegehren niedergelegten Herkmale.

Gemäß der Erfindung ist der Vorteil erreichbar, daß eine Hohlraumanordnung mit zwei Bezugshohlräumen geschaffen wird, welche dazu geeignet ist, die Resonanzfrequenz einer durch ein Fluid gekühlten Hochenergie-Hohlraumanordnung besonders exakt einzustellen bzw. nachzustellen.

Weiterhin ist die erfindungsgemäße Anordnung vorteilhafterweise dazu in der Lage, die Resonanzfrequenz einer durch ein Fluid gekühlten Hochenergie-Hohlraumanordnung einzustellen bzw. nachzustellen, wobei in einem beliebigen vorgegebenen HF-Modus über einen weiten Bereich von Umgebungstemperaturen und einem ebenso weiten Bereich des Energieverbrauches in der Hochenergieanordnung gearbeitet werden kann.

Gemäß der Erfindung wird eine Hohlraumanordnung mit zwei Bezugshohlräumen geschaffen, welche zwei Hohlräume geringer Energie aufweist, welche' auf Frequenzen abgestimmt sind, die jeweils etwas oberhalb und etwas unterhalb der Resonanzfrequenz einer flüssigkeitsgekühlten Hochenergie-Hohlraumanordnung liegen. Jeder der Hohlräume hat einen ersten und einen zweiten Abschnitt, wobei der erste Abschnitt auf einer ersten Temperatur und der zweite Abschnitt auf einer zweiten Temperatur gehalten sind, so daß die Bezugshohlräume den Frequenzverschiebungen in der Hochenergie-Hohlraumanordnung folgen, und zwar aufgrund der Temperaturdifferenzen zwischen Bereichen der Hochenergieanordnung.

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Jeder Hohlraum kann aus einem ersten Abschnitt gebildet sein, der eine zylindrische Außenwand aufnimmt, und eine erste Stirnwand, deren Temperatur durch das flüssige Kühlmittel gesteuert wird, bevor es in die Hochenergieanordnung eintritt, und aus einem zweiten Abschnitt, der eine zweite Stirnwand aufweist, die einen Vorsprung hat, welcher in den Hohlraum hineinragt, wobei, die Temperatur des zweiten Abschnittes durch das flüssige Kühlmittel gesteuert wird, nachdem es aus der Hochenergieanordiiung austritt. Es kann Energie in die Hohlräume eingekoppelt werden, und die Energiepegel innerhalb der Hohlräume können durch Sonden gemessen werden, welche in öffnungen angeordnet sind, die in den zylindrischen Außenwänden liegen. Die Abstimmung der Hohlräume kann durch Abstimmkolben erfolgen, welche in den ersten Stirnwänden der Hohlräume angeordnet sind, oder durch einen mechanischen Einschnitt dieser Wände.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein grundlegendes System mit zwei Bezugshohlräumen, ·

Fig. 2 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes System mit einem einzelnen Hohlraum,

Fig. 3 eine Ausführungsform einer Anordnung mit zwei Bezugshohlräumen und

Fig. 4 einen Schnitt durch die Anordnung gemäß Fig. 5 entlang der Ebene A-A.

Der Grundgedanke der Erfindung wird anhand der Fig. 1 erläutert. Die Anordnung 1 mit zwei Bezugshohlräumen besteht aus zwei

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identischen Wiedereintritts-Koaxialhohlräumen 2 und 2¹. Jeder Hohlraum 2 (2¹) weist eine äußere Wand '$ (5'), Stirnwände 4- (4') und 5 (5¹) und einen inneren Vorsprung 6 (6¹ ) auf,, welcher mit einer der Stirnwände verbunden ist. Die Wände 3 (3^f)₅ 4· (4-¹) und 5 (5¹) ebenso wie der Vorsprung 6 (6') sind vorzugsweise aus demselben Leitermaterial wie der Hochenergiehohlraum hergestellt. Die zwei Hohlräume 2 (2¹) können vollständig getrennt sein oder sie können durch eine gemeinsame Wand miteinander verbunden sein. Weiterhin hat jeder Hohlraum 2 (2¹) einen ersten Kanal 7 (7¹) in den Hohlraumwänden 3 (3')> 4 (4¹) und einen zweiten Kanal 8 (8¹) in dem Hohlraumvorsprung 6 (G¹). Die Kanäle 7 und 7' sind in Reihe geschaltet, und zwar ebenso wie die Kanäle 8 und 8', um zwei kontinuierliche Pianäle durch die zwei Hohlräume zu bilden.

Die Erfindung beruht auf zwei Prinzipien:

(1) Wenn alle Abmessungen eines Hohlraumresonators um einen konstanten Faktor geändert werden, werden sämtliche Resonanzfrequenzen jedes normalen Modus im Hohlraum um denselben Faktor geändert. V/enn somit ein Hohlraum einer gleichförmigen Veränderung in der Temperatur um 1° ausgesetzt wird, ist die prozentuale Änderung in der Frequenz durch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials .gegeben, ausgedrücktin Prozent.

(2) Wenn eine vorgegebene Temperaturdifferenz zwischen zwei Bereichen eines Hohlraumes aufgebaut wird, dann kann innerhalb bestimmter Grenzen eine beliebige Frequenzveränderung dadurch herbeigeführt werden, indem die Form und der.mechanische Aufbau des Hohlraumes in entsprechender Weise gewählt werden.

Das erste Prinzip wird bei den zwei bekannten Hohlraumüberwachungsanordnungen angewandt, indem angenommen wird, daß beliebige Temperaturveränderungen in der gesamten Hochenergie-Hohlraumanordnung in der gesamten Struktur gleichförmig ist.

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Diese Annahme ist nur richtig, wenn einer Hochenergie-Anordnung keine HF-Energie zugeführt ,wird. Gemäß der Erfindung können jedoch Frequenzverschiebungen aufgrund einer Veränderung in der Eingangskühltemperatur ordnungsgemäß überwacht und gesteuert werden.

Die Erfindung bedient sich des zweiten Prinzips,* indem die FrequenzverSchiebung aufgrund der Temx^eraturdiff erenz zwischen Bereichen in der Hcchenergie-Hohlraumanordnung dadurch überwacht, gesteuert oder ausgeglichen wird, daß man das Kühlfluid für die Hochenergie-Hohlraumanordnung durch einen Bereich der zwei BezugEhohlräume in der Anordnung hindurchgehen läßt, bevor es der Hochenergie-Hohlraumanordnung zugeführt wird, und indem das Ausgangskühlfluid von der Hochenergie-Hohlraumanordnung durch einen zweiten Bereich der Anordnung mit zwei Bezugshohlräumen hindurchgeht. Das Eingangskülilmittel kann durch den Kanal 7 - 7¹ hindurchgeführt werden, und das Ausgangskühlmittel kann durch den Kanal 8- 8' hindurchgeführt werden, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist, wodurch eine Frequenzverschiebung in der Anordnung mit zwei Bezugshohlräumen aufgrund der örtlichen Temperaturdifferenzen hervorgerufen wird. Der Eingangskühlmittelkanal und der Ausgangskühlmittelkanal in der Anordnung mit zwei Bezugshohlräumen kann jedoch dafür vorgesehen werden, jeweils einen Frequenz-Temperatur-Koeffizienten zu liefern, welcher zwar die gleiche Größe hat, jedoch ein entgegengesetztes Vorzeichen.

Eine genaue Frequenz wird erreicht, indem die Bezugshohlräume derart ausgebildet werden, daß die Eingangs-Ausgangs-Kühlmittel-Temperaturdifferenz eine Veränderung in der Frequenz der Bezugshohlräume hervorruft, welche der Veränderung in der Hochenergieanordnung angepaßt ist. Weiterhin ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Hochenergie-Hohlraumanordnung und die Bezugshohlräume aus demselben Material wie Kupfer hergestellt

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sind, daß ein Bezugshohlraum etwas hoher als die Hochenergieanordnung-Frequenz abgestimmt ist und der andere Hohlraum um den gleichen Betrag tiefer abgestimmt ist als diese Frequenz, wobei weiterhin vorgesehen ist, daß die Kühlmitteldurchflüsse durch die Hochenergieanordnung und die Bezugshohlräume derart gewählt ist, daß die Temperatur· ohne _HF-Energie im wesentlichen auf der Kühlmitteltemperatur liegt.

Die Auswahl der Hohlraumabmessungen kann derart erfolgen, daß an sich bekannte Bezugsdaten verwendet werden, beispielsweise die Daten für Resonanzhohlräume, welche in dem Buch "lücrowave Transmission Design Data" von Theodore Moreno auf den Seiten 217 t>is 23O niedergelegt sind.

Die Fig. 2 veranschaulicht im Schnitt eine Ausführungsform eines Bezugshohlraumes 10 gemäß der ΕΓΐίηάμη^;. Dieser besteht aus Seitenwänden 11 und einer Stirnwand 12, wodurch eine zylindrische Kammer 13 gebildet ist. Eine zweite Stirnwand 1't mit einem langgestreckten Vorsprung 15 ist an dem offenen Ende der zylindrischen Kammer 13 mit Schrauben 16 befestigt. Der Bezugshohlraum ist au.f beliebige bekannte Weise fein abgestimmt, beispielsweise durch einen Abstimmkolben 17. Die Seitenwand 11 weist eine erste öffnung 18 auf, durch welche HF-Energie in den Hohlraum eingekoppelt wird, und hat weiterhin eine zweite öffnung 19, in welcher eine Sonde angeordnet werden kann, um den Energiepegel im Hohlraum 10 zu messen. Die Seitenwand weist weiterhin einen Kühlkanal 20 auf, durch welchen ein Kühlfluid zirkulieren kann. Schließlich ist ein · zweiter Kühlkanal 21 in dem Vorsprung 15 durch die Stirnwand 14 ausgebildet, welcher ein Kühlmitteleinlaßrohr 22 und ein Kühlmittelauslaßrohr 23 aufweist.

Um im Betrieb im s-Band einen Kupferhohlraum vorzusehen, der eine l'iitt'enfrequenz von etwa 3 GHz und einen Frequenz-Temperatur-Koeffizienten von etwa -125 kHz pro °C-Temperaturdifferenz

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zwischen dem Vorsprung 15 und der äußeren Wand 11 aufweist, werden die folgenden Holilraumabmessungen verwendet:

Vorsprungsradius -P^ = 7,62 mm (0,300")

Hohlraumradius - . P« = 11,94 mm (0,470")

Kammerlänge - 1 = 17,53 mm (0,690")

Abstand zwischen Vorsprung und " ·

Stirnwand - & 2,03 mm (0,080")

Eine Ausführungsform einer Anordnung mit zwei kombinierten Bezugshohlräumen, welche mit 30 bezeichnet ist, ist in den IPig. 3-und 4 dargestellt. Die zwei Hohlräume 31 und 32 sind gebildet, indem zwei identische zylindrische Kammern verwendet werden, welche jeweils äußere Wände 33 und 3^- sowie Stirnwände 35 bzw. 36 haben. Die Stirnwände sind innerhalb der Zylinder angeordnet, um sie gegen unbeabsichtigte Störungen zu schützen, welche die Abstimmung des Hohlraumes beeinträchtigen könnten. Ein Element 37 niit einem einzelnen Vorsprung, welches aus demselben Material wie die Hohlraumwände hergestellt ist, besteht aus einem ersten zylindrischen Vorsprung 38 und einem zweiten zylindrischen Vorsprung 39? welche durch einen vergrößerten Mittelabschnitt 40 miteinander vereinigt sind. Die Vorsprünge 38 und 39 sind in die Kammern 31 und 32 jeweils eingesetzt, wobei die äußeren Wände mit dem Mittelabschnitt 40 verbunden sind. Das Vorsprungelement weist weiterhin einen Kühlmittelkanal 41 mit einem Einlaßrohr 42 und einem Auslaßrohr 43 auf. Dieser Kanal kann viele verschiedene Formen annehmen, es ist jedoch erwünscht, daß beide Vorsprünge 38 und 39 auf derselben Temperatur gehalten werden. Im Hinblick auf einen einfachen Aufbau kann das Vorsprungelement 37 aus zwei Halbabschnitten gebildet sein, der Kanal 41 kann gebohrt sein und die Halbabschnitte können miteinander verlötet oder in irgendeiner anderen beliebigen geeigneten Weise miteinander verbunden werden.

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Die Kühlmittelkanäle 44 und 45 können jeweils in den Außenwänden 33 und 34 ausgebildet werden oder können zur Vereinfachung aus Kupferrohren bestehen, die jeweils in Nuten 46 ' und 47 in enger Berührung mit diesen Wänden angeordnet sind. Die Enden der Bohre 44 und 45 werden derart miteinander vereinigt, daß ein Kühlmitteleinlaß 48 und ein Kühlmittelauslaß 49 gebildet wird. Löcher 50 und 51 werden" jeweils durch die Außenwände 33 bzw, 34 gebohrt, um Sonden aufzunehmen, Vielehe eine geringe Energie in die Hohlräume einkoppeln. Weiterhin sind Löcher 52 und 53 jeweils durch die Außem-iände 33 und 34 gebohrt, un Energiepegel-Meßsonden aufzunehmen. Abstiirimkolben können in die Stirnwände 35 und 36 eingesetzt sein, zur Vereinfachung der Konstruktion können die Hohlräume 31 und 32 jedoch zunächst in der Frequenz etwas hoch abgestimmt werden, und nach dem Zusammenbau kann eine verbesserte Abstimmung dadurch erfolgen, daß die Stirnwände 35 und 36 mechanisch entsprechend eingestellt werden.

Schließlich ist es im Hinblick auf eine verbesserte Genauigkeit in der Frequenzüberwachung bzw. Frequenzsteuerung oder bei dem Frequenzausgleich durch die Anordnung mit diesen zwei Bezugshohlräumen bei einer evakuierten Hochenergie-Hohlraumanordnung wie beispielsweise bei einem Beschleuniger zx^eckmäßig, daß die hermetische Abdichtung der Bezugshohlräume in einer Atmosphäre erfolgt, in welcher die Temperatur und die Feuchtigkeit geregelt sind, wobei die Bedingungen zweckmäßigerweise derart gewählt sind, daß den Frequenz-Temperatur-Koeffizienten des Beschleunigers und der Bezugshohlräume exakt Rechnung getragen ist.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

M. !Anordnung mit zwei Bezugshohlräumen zur Steuerung der ^-^^ Resonanzfrequenz einer flüssigkeitsgekühlten Hochenergie-Hohlraumanordnung, dadurch gekennz eichnet, daß ein erster Bezugshohlraum vorgesehen ist,, der einen eisten und einen zweiten Abschnitt aufweist, daß der erste Hohlraum auf eine Frequenz unterhalb der Resonanzfrequenz abgestimmt ist, daß weiterhin ein zweiter Bezugshohlraum vorhanden ist, der einen ersten und einen zweiten Abschnitt auf v/eist, daß der zv/eite Hohlraum auf eine Frequenz oberhalb der Resonanzfrequenz abgestimmt ist, daß weiterhin eine erste Einrichtung vorgesehen ist, welche derart ausgebildet ist, daß die ersten Abschnitte auf einer ersten Temperatur gehalten werden, und daß eine zv/eite Einrichtung vorhanden ist, welche derart ausgebildet ist, daß die zweiten Abschnitte auf einer zweiten Temperatur gehalten werden.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Eimächtung eine Kanaleinrichtung aufweist, welche innerhalb der ersten Abschnitte angeordnet und derart ausgebildet ist, daß sie die Kühlflüssigkeit aufnimmt, bevor sie in die Hochenergieanordnung eintritt, und daß die zweite Einrichtung eine Kanaleinrichtung aufweist, welche innerhalb der zweiten Abschnitte angeordnet und derart ausgebildet ist, daß sie die Kühlflüssigkeit aufnimmt, nachdem sie aus der Hochenergie-Anordnung austritt.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der ersten Abschnitte eine zylindrische Außenwand und eine erste Stirnwand aufweist, welche an einem Ende der zylindrischen Außenwand angeordnet ist, daß weiterhin jeder der zweiten Abschnitte eine zweite Stirnwand aufweist, welche an dem anderen Ende der zylindrischen Außenwand angeordnet ist,

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I ι *·

um einen geschlossenen Hohlraum zu bilden, und daß die zweite Stirnwand einen zylindrischen Vorsprung aufweist, ■welcher in den geschlossenen Hohlraum hineinragt.
4. Anordnung nach Anspruch 3? dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stirnwand des ersten Hohlraumes einen integral-en Bestandteil der zweiten Stirnwand des zweiten Hohlraumes bildet.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der ersten Abschnitte eine erste Öffnung aufweist, welche derart ausgebildet ist, daß sie eine erste Sonde aufnimmt, um Energie in diesen Hohlraum einzukoppeln, und weiterhin eine zweite öffnung, welche derart ausgebildet ist, daß sie. eine zweite Sonde aufnimmt, um den Energiepegel in dem Hohlraum zu messen.
6. Anordnung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß jede der ersten Stirnwand eine Abstimmeinrichtung aufweist, um den Hohlraum abzustimmen.

7· Anordnung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Hohlräume derart ausgebildet ist, daß er durch geeignete mechanische Anordnung der ersten Stirnwände abstimmbar ist.

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