DE2700122A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum regeln mehrerer supraleitender resonatoren - Google Patents

Description

Verfahren und Schaltungsanordnung zum Regeln mehrerer supraleitender Resonatoren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln mehrerer supraleitender Resonatoren auf eine vorbestimmte gleiche Eigenfrequenz und gleiche Phasenlage, die als Resonatoren mit elastisch verformbaren Strukturteilen, z.B. als Wendelresonatoren, ausgebildet sind und eine Schaltungsanordnung zum Durchfuhren des Verfahrens.

Die Güte eines supraleitenden Resonators liegt um 5 bis 10 Zehnerpotenzen höher als die Güte eines normalleitenden Resonators. Dadurch ergeben sich außerordentlich schmale Bandbreiten, z.B. bei einem 100 MHz-Resonator in der Größenordnung von einem Hertz. Der Frequenzgleichlauf mehrerer, unabhängiger, supraleitender Resonatoren erfordert daher eine hochpräzise, schnelle Frequenzregelung. Besonders kritisch ist dieses Problem bei mechanisch wenig stabilen Resonatoren, z.B. bei Wendelresonatoren mit Wendeln hoher mechanischer Elastizität, die bei supraleitenden Beschleunigern als Beschleunigungs-Resonatoren in großer Zahl verwendet werden und die frequenz- und phasengleich betrieben werden müssen.

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Zur Lösung dieses Problems ist vorgeschlagen worden, an die supraleitenden Resonatoren normalleitende Kurzschlußleitungen anzukoppeln und deren elektrische Länge durch Zu- und Abschalten sog. PIN-Dioden schnell zu ändern und über die dabei erzielbare Änderung der Eingangs-Impedanz die Eigenfrequenz des Resonators zu beeinflussen.

Die Nachteile eines derartigen Verfahrens bestehen insbesondere darin, daß die starken HF-Ströme in den normalleitenden Kurzschlußleitungen hohe ohmsche Verluste verursachen, welche die effektive Güte der supraleitenden Resonatoren um Größenordnungen verkleinern. Dadurch wird der durch die Anwendung der Supraleitung erzielte Gewinn bezüglich der Einsparung von Hochfrequenzleistung wieder erheblich reduziert.

Zum Schütze der die Abstimmleitungen abschließenden PIN-Dioden sind zusätzliche, aufwendige, externe Kühlungsmaßnahmen mit flüssigem Stickstoff erforderlich.

Auch die Kühlung der Kurzschlußleitungen selbst ist sehr kritisch. Hier muß strenge Temperaturkonstanz gefordert werden, da Temperaturänderungen Längenänderungen verursachen, die dann zu ungewollten, unkontrollierbaren Frequenzänderungen führen.

Der Regelbereich ist sehr schmal, so daß die Resonatoren häufig aus diesem Bereich herausfallen und eine für den Beschleuniger zu fordernde, betriebssichere Regelung nicht erreicht wird. Das ist auch deshalb nicht der Fall, weil ein selbsttätiges Hineinziehen eines Resonators, also ein Selbsteinfangen, in die Sollfrequenzen ausgeschlossen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zu entwickeln zum schnellen, automatischen Einstellen und Nachführen der Resonanzfrequenz von supraleitenden Resonatoren mit elastisch verformbaren Strukturteilen auf eine vorbestimmte, allen Resonatoren gemeinsame Sollfrequenz und zum verzögerungsfreien Wiedereinfangen bei durch äußere Störungen erzwungene Frequenzabweichungen von der Sollfrequenz.

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Diese Aufgabe wird mit der Erfindung dadurch gelöst, daß jeder Resonator unabhängig von den anderen, zum gleichen Betriebssystem gehörenden Resonatoren aus einer separaten Quelle mit Hochfrequenzenergie versorgt wird, daß die Eigenfrequenz jedes Resonators durch Änderung der Hochfreuqenz-Amplitude auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird, und daß mechanische Eigenschwingungen von Hesonatorstrukturteilen durch eine geschwindigkeitsabhängige Dämpfung aperiodisch unterdrückt werden und der Resonator auf eine vorbestimmte Betriebs-Hochfrequenz zurückgeführt wird. Dabei hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, daß die Feineinstellung der Kesonator-Eigenfrequenz durch schnelle mechanische Feinverformung von elastischen Hesonatorstrukturteilen erfolgt.

Jeder Resonator wird also durch einen eigenen, rückgekoppelten oder VCO-gesteuerten Sender völlig unabhängig von den anderen Resonatoren mit HF-Energie gespeist. Jeder Resonator ist somit stets auf seinen Sender angepaßt, unabhängig wie groß die Abweichung der momentanen Eigenfrequenz von der gemeinsamen Betriebsfrequenz (Sollfrequenz) sein mag.

Heim Einschalten oder bei einer störungsbedingten Abweichung der Eigenfrequenz von der Betriebsfrequenz zieht der HF-Sender seinen Resonator schnell und dauernd angepaßt durch den Feld-Amplitudenbereich und damit durch den Frequenzbereich bis zum Schnittpunkt mit der gemeinsamen Betriebsfrequenz, bei der der sofortige Frequenzeinfang erfolgt. Der zeitliche Ablauf dieses Prozesses hat die Größenordnung von Millisekunden.

Die Frequenzregelung erfolgt also durch mechanische Feinverformung von elastischen otrukturteilen im Resonator, im Wendelresonator z.B. durch Feinverformung der Wendel. Diese Verformung wird durch ponderomotorische Kräfte erreicht. Solche ihrer Natur nach elektromagnetischen Kräfte sind dem Quadrat der magnetischen und elektrischen Feldstärke im Resonator proportional. Wegen dieser quadratischen Abhängigkeit lassen sich diese Kräfte und damit die die Resonanzfrequenz beeinflussende Feinverformung der Wendel oder eines

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anderen elastischen Strukturteiles über die HF-Amplitude des Resonators schnell und sehr empfindlich regeln.

Daraus ergibt sich ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, der darin besteht, daß der Frequenz-Regelmechanismus direkt im Resonator lokalisiert ist und auf dem dort ohnehin vorhandenen Hochfrequenzfeld basiert. Dadurch werden zusätzliche verlustbehaftete Stichleitungen, empfindliche Koppelorgane und auch separat zu steuernde elektromagnetische Hilfsfelder zur Frequenzregelung durch mechanische Feinverformung überflüssig.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere auch darin, daß die in elektromagnetischen Feldern zwangsläufig auftretenden ponderomotorischen Kräfte, die sich bei bekannten Anordnungen sehr nachteilig auf das Betriebsverhalten und auf die Betriebssicherheit auswirken, durch die Erfindung gezielt zur schnellen Frequenzregelung eingesetzt werden. Ein anderer wesentlicher Vorteil ergibt sich aus der Unterdrückung mechanischer Schwingungen im Resonator mit diesen ponderomotorischen Kräften. Bei bekannten Einrichtungen der erfindungsmäßigen Art können die mechanischen Schwingungen, die die hochfrequenten Resonanzfrequenzen modulieren, nicht eliminiert werden. Der dadurch entstehende breite, mehrere Kilohertz betragende Frequenzhub der HP-Schwingungen muß über an den Resonator angekoppelte Kurzschlußleitungen und PIN-Dioden ausgeregelt werden. Die dabei in den normalleitenden Kurzschlußleitungen fließenden hohen Ströme verursachen entsprechend hohe Verluste, die zu Amplitudenschwankungen und damit zu kaum kontrollierbaren Frequenzverwerfungen führen, die nun ihrerseits wieder eine hochempfindliche Anordnung zur Amplitudenkonstanthaltung erforderlich machen. Dieser erhebliche Aufwand an empfindlicher Elektronik wird durch die erfindungsgemäße ponderomotorische Unterdrückung mechanischer Resonatorschwingungen überflüssig.

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Die Wirkungsweise des Verfahrens und der Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert, es zeigen:

Dynamik der Eigenfrequenz eines Wendelresonators, Regelung der Eigenfrequenz durch die Feldstärke,

Blockschaltbild einer Regelschaltung zum Betrieb mehrerer Wendelresonatoren mit gleicher Frequenz,

Dynamische Dämpfung mechanischer Schwingungen,

Blockschaltbild einer Regelschaltung mit geschwindigkeitsabhängiger Bedämpfung mechanischer Schwingungen.

In einem elastisch verformbaren Hochfrequenzresonator hängt die Resonanzfrequenz von der Feldstärke ab. So besteht z.B. in Resonatoren aus Niob-Wendeln eine starke, quadratische Abhängigkeit Af 9t E , die auch im supraleitenden Zustand reproduzierbar ist. Bei Resonanzfrequenzen um 100 MHz und starken Feldern im Gebiet der erreichbaren Grenzfeldstärken liegt die Frequenzverschiebung in der Größenordnung von einigen hundert kHz. Durch eine Regelung der Feldamplitude läßt sich somit die Eigenfrequenz eines Wendelresonators steuern.

Durch elektromagnetische Kräfte werden elastische Reponatoren feldabhängig deformiert. Für die hierdurch verursachten Verschiebung der Eigenfrequenz gilt bei kleinen Deformationen (für die in der Praxis bei Wendeln vorkommenden Feldstärken) :

Γ -f 1/
E - <°

f = Frequenz bei E -*■ 0

G = Geometriefaktor

In Fig. 1 i3t diese Beziehung in einem E (f)-Diagramm dargestellt, das die Dynamik der Eigenfrequenz eines Wendelresonators zeigt.

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f let die Eigenfrequenz des mechanisch ungestörten Resonators bei der Feldstärke E -*> 0. Mit steigender Feldstärke und der dadurch bedingten Deformation sinkt die Eigenfrequenz. Der Arbeitepunkt S ist durch die Sollfrequenz f und die Sollfeldstärke E₀ festgelegt. Kommt es nun zu einer erzwungenen Deformation durch eine äußere Störung, so daß die Nullfrequenz f nach f · läuft, dann verschiebt sich auch die ganze Kesonanzkurve nach rechte. Ua die gespeicherte Energie - im verlustlos angenommenen Resonator - praktisch konstant bleibt, läuft auch die Feldfrequenz von der Arbeitafrequenz f auf

2
der E -Horizontalen um Jf nach rechts bis zum Punkt a'. Wird jetzt

die Feldstärke erhöht, so wird nach Durchlauf dee Intervalls ΔΕ (ζ 2ΐ.Λΐ. von a'nach b" die Sollfrequenz f wieder erreicht.

Eine erzwungene Deformation in umgekehrter Richtung verschiebt die Nullfrequenz von f nach f" und damit die Resonanzkurve nach links.

Die Feldfrequenz läuft auf der E -Horizontalen von S nach c, und

durch eine Reduzierung der Feldstärke gelangt sie über das Inter- vall - E von c nach d zurück zur Sollfrequenz f .

In der f(E)-Daratellung gemäß Fig. 2 wird der Megelmechaniumus noch deutlicher, da sich die Relation ΔιΙΔί direkt ableeen läßt. Die von außen angeregten Frequenzaprllnge von der f -Parabel auf

die f- und f"-I'arabel lassen sich mit den Feldänderungen/1K und ο ο

"4E kompensieren. Auf den Wegen i>, a', b', bzw. S, c, d wird die

Sollfrequenz f wieder erreicht. Mit a

ist ^f - wegen der quadratischen Abhängigkeit der Frequenz von der Feldstärke - fi-lilubhängl^. Bei IkjIhh Feldstärken luööen sich alüo mit kleinen Feldvuriationen grui>- !•'requenz.Underungen ausrede In.

bei atütiatiaclien Fruquerizveruuliiebungen im bereich QiE¹L von der Größenordnung K)U kHz und Fretiuenzächwankungen durch äußere Störungen von einigen wenigen kHz ist die beeinflussung der Flatness duri Ii die Frequenzregelung über dus Feld unerheblich, insbesondere, weil die quadratische Abhängigkeit

f = f - (JL² υ

besteht. Die Frequenzerniedrigung erfolgt durch schnelle Aufladung des Resonators mit einem starken, rückgekoppelten Sender, und die Frequenzerhöhung wird durch starke Dämpfung des Resonators erreicht.

Fig. 3 zeigt das Grundprinzip der erfindungsmäßigen Regeleinrichtung an dem Blockschaltbild einer Regelschaltung zum Betrieb mehrerer·Wendelresonatoren mit gleicher Betriebsfrequenz.

Von einer mit supraleitenden Wendelresonatoren arbeitenden Einrichtung zum Beschleunigen von Teilchen sind zwei Resonatoren 1,2 mit ihren Versorgungskreisen vereinfacht dargestellt.

Der Versorgungskreis des Resonators 1 besteht im wesentlichen aus einem rückgekoppelten HF-Sender 3» der über eine Koppeleinrichtung 4 auf den Resonator 1 geschaltet ist und in dessen Rückkopplungszweig ein Amplitudenkonstanthalter 5 und ein Phasendreher angeordnet sind.

Der Versorgungskreis des Resonators 2 ist prinzipiell entsprechend ausgebildet. Der HF-Sender 7 speist über eine starke Koppeleinrichtung 8 den Resonator 2. Das durchgekoppelte Signal gelangt über einen Amplitudenkonstanthalter 9, einen HF-Verteiler 10, einen Phasendreher 11 und einen Amplitudenmodulator 12 zurück zum HF-Sender 7· Der Frequenzvergleich zwischen Resonator 1 und Resonator 2 erfolgt durch einen die Differenzfrequenz, also die Regelabweichung ♦ bildenden Frequenzdiskriminator 13« dessen die Richtspannung führender Ausgang l¹» über einen nur eine vorbestimmte erste Polarität der Richtspannung verstärkenden ersten Gleichspannungsverstärker 15 auf den Amplitudenmodulator 12 des Resonators 2 geschaltet ist.

Der Frequenzgleichlauf f₁ = f₂ ^wi^rd ausgehend von einem Betriebszustand f_ > f. erreicht, indem der von dem Frequenzdiskriminator gesteuerte Amplitudenmodulator 12 die volle Leistung des HF-Senders 7 freigibt, so dafi.es zu einer schnellen Feldstärkeerhöhung im Resonator 2 und damit gemäß Fig. 2 zu einer schnellen Herabsetzung der Frequenz f« kommt. Beim Erreichen der Frequenzüberein-

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Stimmung des taktgebenden Resonators 1 und des geführten Resonators 2, also C₁ - f₂, wird der HF-Sender 7 durch den Amplitudenmodulator 12 auf den Leistungsbedarf des stationären Zustandes gedrosselt.

Un einen Frequenzgleichlauf fj - f₂ ausgehend von f₂ < fj erreichen zu können, ist der Reihenschaltung aus dem Amplitudenmodulator 12 und dem HF-Qenerator 7 ein Dämpfungsglied (16) parallelge- »ohaltet, das von dem die Richtspannung führenden Auegang 1Ί des Frequenzdiskriminators 13 aber einen nur eine zweite Polarität der Hichtepannung verstärkenden zweiten Gleichspannungsverstärker 17 gesteuert wird. Der Resonator 2 wird durch da· über eine zweite Koppeleinriehtung 18 angekoppelte Dämpfungsglied 16 stark bedämpft, •o daft entsprechend Fig. 2 mit der schnellen Reduktion der Feldstärke im Resonator 2 die Frequenz f₂ erhöht wird, bis der Ausgleich f₂ s f erreicht ist und die Dämpfung über den Frequenzdiakriminator aufgehoben wird.

Das Dämpfungsglied 16 kann s. B. aus einer stark angekoppelten, kurzgeschlossenen Koaxialleitung bestehen. In einen Spannungsbereich kann - unter anderen geeigneten Anordnungen - eine Triode geschaltet werden, deren Gitter von dem Signal des zweiten Gleichspannungsverstärkers 17 gesteuert wird. Bei einer Frequenz f₂ < fj stellt diese Triode einen Abschluß mit dem Wellenwiderstand dar, und bei f₂ >> f ist die Triode hochohmig und damit wirkungslos.

Anstelle der Triode kann beispielsweise auch eine Anordnung bestehend aus einer Schaltdiode und einem Reihenwiderstand vom Wert des Wellenwiderstandes verwendet werden.

Es ist selbstverständlich auch möglich, den HF-Sender 7 und das Dämpfungsglied 16 Über eine gemeinsame Koppeleinrichtung, z.B. eine supraleitende Koppelsohleife, an den Resonator 2 su koppeln.

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Die starke Aufladung dee geführten Resonators 2 bei Frequenzen ^f2 > ^fl ^{durcn den} Amplitudenmodulator 12 einerseits und die starke Dämpfung bei Frequenzen f₂ < f« durch das Dämpfungsglied andtrerseits wird der Resonator 2 auf der Frequenz dt· taktgebenden Resonator· 1 gehalten.

Diese Amplitudenateuerung ist sehr schnell, da die Beeinflussung de· Resonator· 2 mit dem al· Leistungssender dimensionierten HF-Sender 7 und dem optimalen Dämpfungsglied 16 über «ine starke Kopplung erfolgt. Dadurch werden Zeitkonstanten erreicht, die klein gegenüber den Perioden der mechanischen Schwingungen der Wendel oder allgemein der elastisch verformbaren Hesonatorbaueleaente sind. Diese gesielt· Steuerung der ponderomotorisehen Kräfte eraflglioht die erforderliche meohanisohe Feinverformung der Wendel.

In der Schaltungsanordnung naoh Fig. 3 wirkt diese Verformung als Uegtnkupplung gegen parasitäre Schwingungen der Wendel. Eine Kontraktion der Wendel, die su einer Frequenz f₂ <*f« führt, wird wegen der sofort voll einsetzenden hoohfrequenten Bedämpfung der Wendel gestoppt. Einer Expansion der Wendel mit der Konsequenz f₂ > fj wirken die sogleich voll eingeschalteten zusätzlichen ponderomotorischen Kräfte entgegen. Hier handelt es sich also nicht um eine analoge Amplitudensteuerung nach einer linearen oder ganz allgemein stetigen Funktion der Abweichung von der Sollfrequenz, sondern um einen digitalen Effekt, d.h. um eine nach einer Sprungfunktion verlaufenden Beeinflussung der Amplitude. Ein Ausbrechen aus der Regelung verhindert der rückgekoppelte HF-Sender 7* der die Wendel des Resonators 2 stets verfolgt und in die Frequenz der Wendel de· Resonator· 1 hineinsieht.

Eine zusätzliche Maßnahme zur weiteren Verbesserung der Hegeleigenschaften kann in der Verwendung einer Phasenvergleichabrücke 19 bestehen, die zur Kontrolle der Phasenlage zwischen die RUckkopplungszweige des als Taktgeber arbeitenden ersten Resonators 1 und des geführten zweiten Resonators 2 geschaltet ist.

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Die PhasenvergleichsbrUcke 19 steuert über einen Tiefpaß 20 und einen Verstärker 21 den Eingangsblindwiderstand einer Stichleitung 22, die über eine dritte Koppeleinrichtung 23 an den Resonator 2 gekoppelt ist. Die Rektanz der Stichleitung 22 kann z.B. in an eich bekannter Weise mit sog. PIN-Dioden geändert werden. Der Tiefpaß 20 soll verhindern, daß die Phasenregelung schon einsetzt, wenn f₂ und f., noch nicht übereinstimmen.

Das Signal aus der Phasenvergleichsbrücke 19 steuert nicht nur die Stichleitung 22, sondern auch den Amplitudenmodulator 12 und das Dämpfungsglied 16. Die Riehtspannung aus dem Frequenzdiskriminator 13 (großer Frequenzhub) und aus der PhasenvergleichsbrUcke 19 (Phasengleichlauf) sind über den Tiefpaß 20 entkoppelt. Damit ist sichergestellt, daß die Resonanzfrequenz f bis auf eine minimale Korrektur für den Phasengleichlauf vom Amplitudenmodulator 12 und vom Dämpfungsgliede 16 über die Amplitude auf der Taktfrequenz fj festgehalten wird. Dadurch sind an der Stichleitung 22 nur sehr kleine Blindleistungen zu schalten, und es entfällt ein aufwendiges, stark dämpfendes Mehrpunkt-Stellglied.

Den Einfang aus beliebigen Frequenzabweichungen heraus sichern der HF-Sender 7 und das Dämpfungsglied 16. Die Stichleitung 22 ist nur in besonderen Fällen für die Feinformung der Phase innerhalb des Stabilitätsbereichs der zu beschleunigenden Teilchen zuständig. Hierzu genügen ein kleiner Koppelfaktor und kleine Dimensionierung der Stichleitung 22 und der Koppeleinrichtung 23.

Mit den Frequenzzählern 25 und 26 werden die Frequenzen kontrolliert, und mit dem Oszillographen 27 können Größe und zeitlicher Verlauf von Frequenzabweichungen bei der Justierung der Schaltung und bei evtl. Störungen verfolgt werden.

Der als Taktgeber betriebene Resonator 1 kann natürlich auch durch einen freuqenzstabilen Sender oder ein Frequenznormal ersetzt werden. Der Frequenzvergleich am Frequenzdiskriminator 13 und der Phasenvergleich an der PhasenvergleichsbrUcke 19 führen dann zum Frequenzbetrieb, an den beliebig viele zu stabilisierende Resonatoren angeschlossen werden können.

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Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 wird die Korrekturgröße bei der kleinsten Veränderung der Sollfrequenz f\ bzw. bei der kleinsten Verrückung aus der "Sollgeometrie" der Wendel sofort voll wirksam. Damit wird die Wendel am Ausbrechen gehindert. Befindet sich die Wendel jedoch im Zustand starker, mechanischer Schwingungen, die durch Schläge auf den Kryostaten, durch Bodenvibrationen usw. angeregt werden können, dann wirkt die der jeweiligen Auslenkung eintgegengerichtete Korrekturgröße bis zur Passage der Nullage noch in voller Größe und damit beschleunigend auf die bewegten Massen der Wendel. Dieses Verhalten zeigen die in Fig. 1 dargestellten Bewegungsabläufe.

Die Bewegung eines Massenpunkta der Wendel verläuft z. B. entsprechend Fig. JJa nach der Kurve x(t). Diese Bewegung löst mit Hilfe des Amplitudenmodulators 12 und des Dämpfungsgliedes 16 (vergl. Fig. 3) die Gegenkraft Kj(x)_t in Form der in Fig. ¹Ib dargestellten Rechteckkurve aus. Zur Erhöhung der Stabilität des Systems können die vor den Nulldurchgängen wirkenden, schädlichen Beschleunigungskräfte durch eine geschwindigkeitsabhängige Kegelgröße kompensiert oder Uberkompensiert werden.

Zu diesem Zwecke wird die Ortskurve x(t) nach der Zeit differenziert (Fig. ¹Ia). Die Umkehrung der Ableitungekurve liefert dann die Funktion für die geschwindigkeitsabhängige Kompensationükraft -(dx/dt) (Fig. ¹Ib). Die Summe dieser v-abhängigen und x-abhängigen Kräfte liefert die an der Wendel angreifende Kraft

K = UK₁(X) ♦ l>K_?(v) oder mit ^K ₂ ⁼ " dT

K = 8K₁(X) - b i|£ (P)

Die Fakturen a und b sind Parameter, mit denen die Amplituden der HechtecküpiuinuMf, und der AbleitungsfunUtion und damit der beiden Kraftkomponenten cingeutellt werden können.

8 0 9 8 2 8 7 O¹I 5"9

Nimmt man eine harmonische Schwingung der Wendel x(t) = x_Qsinvt an, dann ergibt eich für die resultierende Korrektionskraft K ein zeitlicher Verlauf, entsprechend Fig. 4c. Am Schnittpunkt dieser K(t)-Kurve mit der Nullinie setzt - deutlich vor dem Nulldurchgang der x(t)-Kurve - die dynamische Gegenkraft ein, die die bewegten Massen der Wendel bereits vor der Sollage, aleo vor Erreichen des geometrischen Arbeitspunktes abbremst. Wird der Arbeitspunkt überlaufen, springt die Rückstellkraft sofort auf den Summen-Maximalwert. Die Einflüsse der Parameter a auf den über eine Halbperiode konstanten Teil der Rückstellkraft (Hechteckfunktion) und b auf den v-abhängigen Anteil sind in Fig. 4ü dargestellt.

Durch eine Zeitverschiebung der Ableitungafunkt ion um den Parameter t. kann der Bremsimpuls durch die dynamische Oegenkraft K₁Uh stark beeinflusst werden, wie der Verlauf der strichlierten K(t)-Kurven in Pig. ¹Ic zeigt. Der dynamische Gegenimpuls wird durch die senkrecht (t = -t^) bzw. waagrecht (t = tj) schraffierten Flächen über der Nullinie repräsentiert. Mit den Parametern a, b und t. kann die Funktion

K = aK_t(x)_t - b(||) (3)

t ft 4

den gegebenen Bedingungen weitgehend angepaßt werden, die da sind: mechanische Eigenfrequenz der Wendel, Störfrequenz-Spektrum, Nichtlinearitäten in der Elektronik, Laufzeiteffekt usw.

Die optimale Einstellung der Parameter a, b, t. liegt dann vor, wenn sich die Wendel unter gegebenen Bedingungen aperiodisch verhält. Bei diesem Verfahren sind Instabilitäten und insbesondere die Anregung parasitärer Schwingungen ausgeschlossen.

Fig. 5 zeigt das Blockschaltbild einer Hege lacha Hung mit geschwindigkeitsabhängiger Bedämpfung der Wende!schwingungen. Die Schaltelemente mit den Positionsnununern 1 biB 27 entsprechen in ihren Funktionen den Elementen gleicher Numerierung in der Schaltungsanordnung der Fig. 3. Das v-abhängige Korrektursignal -dx/dt

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- siehe Pig. 4b - wird mit einem Differenzierglied 28 erzeugt, das dem Frequenzdiskriminator 13 nachgeschaltet ist. Ein dem Differenzierglied 28 nachgeschaltetes Laufzeitglied 29 ermöglicht das Einstellen der Zeitverschiebung t. für -(dx/dt)_t+t in Fig. 4b.

Das Ausgangssignal des Laufzeitgliedes 29 ist über einen nur eine vorbestimmte erste Polarität der Richtspannung verstärkenden Gleichspannungsverstärker 30 auf einen Amplitudenmodulator 31 geführt, der den HF-Sender 7 steuert, ebenso wie der Amplitudenmodulator 12.

Das Ausgangssignal des Laufzeitgliedes 29 ist ferner über einen nur eine vorbestimmte zweite Polarität der Richtspannung verstärkenden Qleichepannungsverstärker 32 auf ein Dämpfungsglied 33 geführt. Mit diesen zwei Kanälen wird die dynamische Kraft bK₂ ^s -b(dx/dt)_t+t im Resonator 2 geformt (vergl. Fig. 4b, c und Gleichungen (1) und (3)).Im Resonator 2 überlagern sich die Kräfte bKp und aK., die mit den anhand von Fig. 3 bereits beschriebenen Kanälen 15, 12» 7 und 17, l6 eingekoppelt wird, zu der resultierenden Kraft K(t).

Die Verstärkungsfaktoren der vom Frequenzdiskriminator 13 gesteuerten Kechteckverstärker 15 und 17 werden mit Parameter (a) und die Verstärkungsfaktoren der vom Differenzglied 28 gesteuerten Linearverstärker 32 und 30 werden mit Parameter (b) eingestellt. Mit den Parametern a und b und der Zeitvariation t ergibt sich dann der in Fig. Ίο dargestellte Verlauf der resultierenden im Resonator 2 wirkenden elektromagnetischen Korrektur kraft k(t).

Praktisch werden für die Speisung und Regelung des Resonators 2 nicht drei Koppelschleifen benötigt. Die HF-Technik bietet viele geeignete Schaltelemente, mit denen die Mischung der Ausgange des HF-Senders 7, der Dämpfurigsglieder l6, 33 und der Stichleitung außerhalb des Resonator^ ohne Belastung des He,.,- Haushalts durchgeführt werden kann.

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Leerse ite

Claims (1)

1. Ho Tc <J (.>/.{! ίρΙ.)ι|

   GESELLSCHAFT FÜR Karlsruhe, den 6.12.1976

   KERNFORSCHUNG MBH PLA 767¹» Hä/bö

   Patentansprüche: ? 7 Π Π 1 9

   1. Verfahren zum Regeln mehrerer supraleitender Resonatoren auf eine vorbestimrate gleiche Eigenfrequenz und gleiche Phasenlage, die als Resonatoren mit elastisch verformbaren Strukturteilen, z.B. als Wendelresonatoren, ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Resonator unabhängig von den anderen, zum gleichen Betriebssystem gehörenden Resonatoren aus einer separaten Quelle mit Hochfrequenzenergie versorgt wird, daß die Eigenfrequenz jedes Resonators durch Änderung der Hochfrequenz-Amplitude auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird, und daß mechanische Eigenschwingungen von Resonatorstrukturteilen durch eine geschwindigkeitsabhängige Dämpfung aperiodisch unterdrückt werden und der Resonator auf eine vorbestimmte Betriebs-Hochfrequenz zurückgeführt wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feineinstellung der Resonator-Eigenfrequenz durch schnelle mechanische Feinverformung von elastischen Resonatorstrukturteilen erfolgt.

   3* Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ' die mechanische Feinverformung von Resonatorstrukturteilen durch die quadratisch mit der Feldstärke verlaufenden und von der Frequenz unabhängigen elektromagnetischen Kräfte des Resonator-HF-Feldes (ponderomotorische Kräfte) ausgeführt wird.

   k. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum geschwindigkeitsabhängigen Dämpfen als Störschwingungen auftretender mechanischer Eigenschwingungen von Resonatorstrukturteilen durch eine starke Kopplung der Amplitudensteuereinrichtung an den Resonatoren Zeitkonstanten eingestellt werden, die klein gegen die Perioden der mechanischen Eigenschwingungen sind.

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   ORIGINAL INSPECTED

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   5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Resonator und dessen HF-Quelle eine starre Kopplung besteht, und daß die HF-Leistung klein gegen die zur Speisung eines normalleitenden Resonators erforderliche Leistung, aber groß gegen die Verlustleistung eines supraleitenden Resonators ist und deshalb der Aufbau der Feldstärke im Resonator mit sehr kleiner Zeitkonstanten in der Größenordnung von Millisekunden erfolgt.

   6. Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch I₄ dadurch gekennzeichnet, daß jeder Resonator (1,2) in einen von anderen Resonatoren unabhängigen Versorgungekreis mit einem rückgekoppelten HF-Sender (3_f 7) geschaltet ist, daß im Rückkopplungszweig eines ersten als Taktgeber arbeitenden Resonators (1) ein Amplitudenkonstanthalter (5) und ein Phasendreher (6) angeordnet ist, daß der RUckkopplungszweig eines zweiten, vom Taktgeber geführten Resonators (2) im wesentlichen aus einem Amplitudenkonstanthalter (9), einem HF-Verteiler (10), einem Phasendreher (11) und einem Amplitudenmodulator (12) besteht, und daß der Amplitudenmodulator (12) von einem die Differenzfrequenz (Regelabweichung) zwischen dem ersten Resonator

   (1) (Sollwert) und dem zweiten Resonator (2) (Istwert) bildenden Frequenzdiskriminator (13) gesteuert ist.

   7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der die Richtspannung führende Ausgang (I¹I) des Frequenzdiskriminators (13) über einen nur eine vorbestimmte erste Polarität der Richtspannung verstärkenden ersten Gleichspannungsverstärker (15) auf den Amplitudenmodulator (12) des zweiten Resonators (2) geschaltet ist.

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   8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Reihenschaltung aus dem Amplitudenmodulator (12) und dem HF-Generator (7) an den die Richtspannung führenden Ausgang (14) des Frequenzdiskriminator8(13) ein Dämpfungsglied (16) geschaltet ist, und daß dem Dämpfungsglied (l6) ein nur eine vorbestimmte zweite Polarität der Richtspannung verstärkender zweiter Gleichspannungsverstärker (17) vorgeschaltet ist.

   9. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsglied (16) aus einer an den Resonator mit einer zweiten Koppeleinrichtung (18) stark angekoppelten kurzgeschlossenen Koaxialleitung besteht, und daß in einem Spannungsbauch der Koaxialleitung ein steuerbares Bauelement zum Einstellen eines vorbestimmten Widerstandes angeordnet ist.

   10.Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Bauelement aus einer Triode besteht, deren Gitter durch das Signal des zweiten Gleichspannungsverstärkers (17) gesteuert ist.

   11.Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Bauelement aus einer Schaltdiode und einem Reihenwiderstand vom Wert des Wellenwiderstandes besteht, und daß die Schaltdiode durch das Signal des zweiten Gleichspannungsverstärkers (17) gesteuert ist.

   12.Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Koppeleinrichtung (8) zum Ankoppeln des HF-Generators (7) und die zweite Koppeleinrichtung (18) zum Ankoppeln des Dämpfungsgliedes (16) supraleitend ausgeführt ist.

   13«Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Koppeleinrichtungen (8, 18) aus einer supraleitenden Koppelschleife besteht.

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   Ik. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12 und 13> dadurch gekennzeichnet, daß HF-Generator (7) und Dämpfungsglied (16) über eine gemeinsame Koppeleinrichtung auf den Resonator (2) geschaltet sind.

   15. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 1I₁ dadurch gekennzeichnet, daß zur Kontrolle der Phasenlage zwischen die Rückkopplungszweige des als Taktgeber arbeitenden ersten Resonators (1) und des geführten zweiten Resonators (2) eine Phasenvergleichsbrücke (19) geschaltet ist, und daß der Ausgang der Phasenvergleichsbrücke (19) über einen Tiefpaß (20) und einen Verstärker (21) auf den Eingang einer an den zweiten Resonator angekoppelten Stichleitung geschaltet ist.

   16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 15« dadurch gekennzeichnet, daß der über den Tiefpaß (20) geführte Ausgang (2Ό der Phasenvergleichebrücke (19) auf die Eingänge der Gleichspannungsverstärker (15, 17) des Amplitudenmodulators (12) und des Dämpfungsgliedes (16) geschaltet ist.

   17. Schaltungsanordnung nach einer oder mehreren der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zum geschwindigkeitsabhängigen Bedampfen mechanischer Schwingungen von Resonatorbauteilen dem Frequenzdiskriminator (13) ein Differenzierglied (28) zum Erzeugen eines geschwindigkeitsabhängigen Korrektursignales (-dx/dt) nachgeschaltet ist, daß zu dem Differenzierglied (28) ein Laufzeitglied (29) zum Einstellen einer vorbestimmten Zeitverschiebung t. des geschwindigkeitsabhängigen Korrektursignales in Reihe geschaltet ist, daß der Ausgang des Laufzeitgliedes (29) auf einen ersten Gleichspannungsverstärker (30) für Signale einer ersten Halbwelle und auf einen zweiten Gleichspannungsverstärker (32) für Signale einer zweiten Halbwelle geschaltet ist, und daß dem ersten Gleichspannungsverstärker (30) ein mit dem HF-Generator (7) verbundener Amplitudenmodulator (3D und dem zweiten Gleichspannungsver-

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   stärker (32) ein über eine Koppeleinrichtung (18) auf den Resonator (2) wirkendes Dämpfungsglied (33) nachgeschaltet ist.

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