DE2609076B2

DE2609076B2 - Koppeleinrichtung zur Ankopplung eines HF-Generators an eine supraleitende, in einem Kryostaten angeordnete Resonatorstruktur

Info

Publication number: DE2609076B2
Application number: DE19762609076
Authority: DE
Inventors: Laszlo Dipl.-Ing. Dr. 7500 Karlsruhe Szecsi
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1976-03-05
Filing date: 1976-03-05
Publication date: 1978-08-10
Also published as: DE2609076C3; DE2609076A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Koppeleinrichtung zum Ankoppeln eines bei Raumtemperatur betriebenen HF-Generators über einen HF-Übertragungsweg an eine supraleitende, in einen Kryostaten angeordnete Resonatorstruktur hoher elektrischer Güte.

Derartige Einrichtungen werden benötigt zum Einkoppeln der Leistung eines HF-Generators in einen räumlich entfernten HF-Resonator. Es ist bekannt iMeinke. Gundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, Springer Verlag 1956, Seiten 331 bis 334), zum Übertragen der Leistung ein koaxiales Kabel oder eine Hohlleitung zu verwenden. Es ist auch bekannt, das Kabel mit einer in den Resonator hineinragenden Drahtschleife abzuschließen (induktive Kopplung), das Kabel an einem Ort hoher Resonatorspannung über eine Koppelkapazität anzuschließen (kapazitive Kopplung), öder eine direkte galvanische Verbindung herzustellen (galvanische Teilkopplung) oder die Koppelschleife zu vergrößern, so daß diese nicht mehr sehr klein gegen die Wellenlänge ist

Die Nachteile dieser bekannten Koppeleinrichtungen bestehen insbesondere darin, daß über das Koaxialkabel oder über die Hohlleitung eine unterbrechungslose metallische Verbindung zwischen dem HF-Generator und dem HF-Resonator besteht

HF-Resonatoren in supraleitender Ausführung, wie sie z.B. in supraleitenden Teilchenbeschleunigern verwendet werden, haben eine hohe elektrische Güte (Resonanzfrequenz: Bandbreite), also besonders kleine Bandbreite. Bei fester mechanischer bzw. galvanischer Verbindung solcher Resonatoren mit dem HF-Übertragungsweg werden mechanische Erschütterungen aus der Umgebung des Resonators ungewollt mitübertragen. Die dadurch verursachte Eigenfrequenzmodulation des HF-Resonators beeinflußt bzw. verhindert die kontinuierliche Leistungsanpassung des HF-Generators. Diese Einrichtung verursacht insbesondere dann schwere regeltechnische Probleme, wenn der HF-Generator und der HF-Resonator eine vorbestimmte feste Betriebsfrequenz haben müssen, wie das z. B. der Fall ist bei einem Linearbeschleuniger für Elementarteilchen.

Supraleitende HF-Resonatoren hoher elektrischer Güte müssen außerdem auf einer Betriebstemperatur T< 10 K gehalten werden, die unterhalb der Sprungtemperatur des Resonatormaterials liegt Durch eine feste mechanische Verbindung zwischen HF-Generator und HF-Resonator wird in der Regel auch eine galvanische Verbindung gebildet, über die Verlustwärme begünstigt durch das hohe Temperaturgefälle von dem bei Normaltemperatur (ca. 300 K) betriebenen HF-Generator zu dem HF-Resonator geleitet wird und mit erheblichem Aufwand durch Kühlung abgeführt werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Koppeleinrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, einen supraleitenden HF-Resonator zu speisen, ohne daß durch das Übertragungssystem die Eigenfrequenz des HF-Resonators modulierende mechanische Schwingungen übertragen werden und/oder durch Wärmeleitung eine den HF-Resonator aufheizende Wärmemenge transportiert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im HF-Übertragungsweg innerhalb des Kryostaten

mindestens ein kapazitiver Übertragungsvierpol für Hochfrequenz liegt, der derart ausgeführt ist, daß er außer einer galvanischen auch eine vollkommene mechanische Trennung in dem Übertragungsweg bewirkt

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Koppeleinrichtung nach der Erfindung besteht der HF-Übertragungsweg im wesentlichen aus einer ersten an den HF-Generator angeschlossenen Koaxialleitung, einer zweiten an die Resonatorstruktur angeschlossenen Koaxialleitung und einer dritten, die erste und die zweite Koaxialleitung verbindende Koaxialleitung, wobei zwischen der ersten und der zweiten Koaxialleitung einerseits und der dritten Koaxialleitung anderer-

seits je ein kapazitiver, als Luftkondensator ausgebildeter Übertragungsvierpol angeordnet ist

Dabei ist die dritte Koaxialleitung mit einem flüssigen Kühlmittel kühlbar.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile; bestehen s insbesondere darin, daß mechanische Schwingungen aus der Umgebung des HF-Resonators nicht auf diesen übertragen werden können, so daß die Eigenfrequenz des HF-Resonators konstant bleibt Das hat zur Folge, daß die Regeleinrichtungen des Systems zur Amplituden-, Frequenz- und Phasenregelung wagen des Wegfalles einer wesentlichen Störgröße erheblich einfacher ausgelegt werden können und wegen der besseren Leistungsanpassung die Nennleistung des HF-Generators kleiner sein kann. is

Ferner wird durch die Unterbrechung der galvanischen Verbindung zwischen HF-Generator und HF-Resonator der Transport von Verlustwärme auf dem HF-Übertragungsweg sehr stark reduziert so daß der Verbrauch an Flüssighelium erheblich herabgesetzt ist

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 Blockdiagramm eines HF-Übertragungssystems,

Fig.2 vereinfachtes Schnittbild eines kapazitiven HF-Übertragungsvierpols.

Ein vereinfachtes Blockdiagramm des erfindungsgemäßen HF-Übertragungssystems ist in F i g. 1 dargestellt Der HF-Generator 1 ist außerhalb des Kryostaten 2 angeordnet und arbeitet bei Raumtemperatur, also ca. 300 K. Der HF-Generator speist HF-Energie über einen HF-Übertragungsweg 3, der im wesentlichen aus einer an den HF-Generator 1 angeschlossenen ersten Koaxialleitung 4, einer an einen HF-Resonator 5 angeschlossenen zweiten Koaxialleitung 6 und einer die erste und die zweite Koaxialleitung verbindenden dritten Koaxialleitung 7 besteht Der HF-Resonator 5 ist supraleitend, seine Temperatur wird mit flüssigem Helium auf 13 bis 9 K gehalten. Mehrere HF-Resonato- <o ren 5 können in Richtung der Achse 8 angeordnet und als Beschleuniger für Elementarteilchen verwendet werden. Der HF-Resonator 5 und die dritte Koaxialleitung 7 sind unabhängig voneinander über Halteeinrichtungen 9 mit dem Kryostaten 2 so verbunden, daß von außen in den Kryostaten eingeleitete Erschütterungen nicht auf den HF-Resonator gelangen können.

Zwischen die erste Koaxialleitung 4 bzw. die zweite Koaxialleitung 6 einerseits und die dritte Koaxialleitung 7 andererseits ist jeweils ein kapazitiver Übertragungsvierpol 10 geschaltet, so daß der HF-Übertragungsweg 3 zwei Trennstellen besitzt, weiche den Wärmetransport in Richtung HF-Resonator 5 unterbinden und auch das Einleiten von Erschütterungen nahezu ausschließen. Die dritte Koaxialleitung 7 ist durch die Trennstelle in den kapazitiven Übertragungsvierpolen iO ein in sich geschlossener Teil des HF-Übertragungsweges und kann problemlos und wirtschaftlich über einen Anschluß 11 mit flüssigem Stickstoff auf 70 K gekühlt werden. Zum Aufrechterhalten des Isoliervakuums im Kryostaten 2 von ca. 10~⁵ Torr und des Vakuums im Resonator von IO-⁹ bis ca. 10-'° Torr ist in die Wand des Kryostaten 2 im Bereich der Durchführung des ersten Koaxialkabels 4 und als Abschluß des Koppelkamins 12 des HF-Resonators 5 im Bereich des zweiten Koaxialkabels 6 je ein Keramik-Vakuumfenster 13, 14 angeordnet, das den Raum zwischen dem Innen- und dem Außenleiter vakuumdicht schließt

Eine mögliche Ausführungsform des kapazitiven Übertragungsvierpols 10 zeigt die Fig.2. Jeder der Innenleiter 15 der ersten und der zweiten Koaxialleitung 4, 6 ist an seinem der dritten Koaxialleitung 7 zugewandten Ende, also im Bereich des kapazitiven Übertragungsvierpols 10, mit einem in den Innenleiter 15 eingesetzten Bolzen als erste Elektrode 16 versehen, dessen Durchmesser kleiner als der Innendurchmesser des die zweite Elektrode 17 bildenden Innenleiters der dritten Koaxialleitung 7 ist Jeder der Außenleiter 18 der ersten und der zweiten Koaxialleitung 4,6 ist an seinem der dritten Koaxialleitung 7 zugewandten Ende als vierte Elektrode 19 glockenförmig erweitert und umschließt berührungsfrei die dritte Elektrode 20, also den Außenleiter der dritten Koaxialleitung 7. Die vierte Elektrode 19 ist von einer fünften Elektrode 21 als Abschirmelektrode umschlossen, die auf der von der dritten Koaxialleitung 7 abgewandten Seite mit der vierten Elektrode 19 verbunden und an der der dritten Koaxialleitung 7 zugewandten Seite zur dritten Elektrode 20 hin umgebogen, um die Abstrahlung von HF-Energie zu verhindern.

Die axiale Länge der im Bereich des kapazitiven Übertragungsvierpols 10 einander überdeckenden ersten bis fünften Elektrode 16,17,19,20,21 ist etwa λ/4.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Koppeleinrichtung zum Ankoppeln eines bei Raumtemperatur betriebenen HF-Generators Ober einen HF-Übertragungsweg an eine supraleitende, in einem Kryostaten angeordnete Resonatorstruktur hoher elektrischer Güte, dadurch gekennzeichnet, daß im HF-Übertragungsweg (3) innerhalb des Kryostaten (2) mindestens ein kapazitiver Übertragungsvierpol (10) für Hochfrequenz liegt, der derart ausgeführt ist, daß er außer einer galvanischen auch eine vollkommene mechanische Trennung in dem Übertragungsweg bewirkt

2. Koppeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der HF-Übertragungsweg (3) im wesentlichen aus einer an den HF-Generator (1) angeschlossenen ersten Koaxialleitung (4), einer an den HF-Resonator (5) angeschlossenen zweiten Koaxialleitung (6) und einer die erste Koaxialleitung (4) und die zweite Koaxialleitung (6) verbindenden dritten Koaxialleitung (7) besteht, und daß zwischen der ersten und der zweiten Koaxialleitung (4, 6) einerseits und der dritten Koaxialleitung (7) andererseits je ein kapazitiver, als Luftkondensator ausgebildeter Übertragungsvierpol (10) angeordnet ist

3. Koppeleinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Übertragungsvierpol (10) als rotationssymmetrischer Luftkondensator mit koaxialen Elektroden (16, 17, 19, 20, 21) ausgebildet ist, daß eine erste Elektrode (16) des Luftkondensators durch einen in den Innenleiter (15) der ersten bzw. zweiten Koaxialleitung (4,6) eingesetzten Bolzen (16) und eine zweite Elektrode (17) durch an den Innenleiter (i5a) der dritten Koaxialleitung (7) angesetzte Hülse gebildet ist, und daß eine dritte, vierte und fünfte Elektrode (19,20,21) durch die rohrförmigen Außenleiter der ersten, zweiten und dritten Koaxialleitung (4, 6, 7) gebildet ist, wobei die vierte Elektrode (19) die dritte Elektrode (20) berührungsfrei umschließt.

4. Koppeleinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Elektrode (19) von einer fünften Elektrode (21) als Abschirmelektrode umschlossen ist, die auf der von der dritten Koaxialleitung (7) abgewandten Seite mit der vierten Elektrode (19) verbunden und an ihrem freien Ende zur dritten Elektrode (20) umgebogen ist, um die Abstrahlung von HF-Energie zu vermindern.

5. Koppeleinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Koaxialleitung (7) über einen Anschluß (11) mit einem flüssigen Kühlmittel kühlbar ist