DE2700122B2

DE2700122B2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Regeln der Eigenfrequenz und der Phasenlage mehrerer supraleitender Resonatoren

Info

Publication number: DE2700122B2
Application number: DE2700122A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Phys. Dr. 7500 Karlsruhe Kuehn
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1977-01-04
Filing date: 1977-01-04
Publication date: 1980-06-19
Also published as: DE2700122C3; US4196398A; DE2700122A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Schaltungsanordnung zum Durchführen 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 lOO-MHz-Resonator in der Größenordnung von einem Hertz. Der Frequenzgleichlauf mehrerer, unabhängiger, supraleitender Resonatoren erfordert daher eine hochpräzi.^ce, 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 Bcschleunigungs-Resonatoren in großer Zahl verwendet werden und die frequenz- und phasengleich betrieben werden müssen.

Zur Lösung diese Problems ist vorgeschlagen worden (DE-PS 23 17 890), an die supraleitenden Resonatoren normallcitende Kjrzschlußleitungen anzukoppeln und deren elektrische Länge durch Zu- und Abschalten sog. PlN-Dioden schnell zu ändern und über die dabei erzielbarc 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 Absttmmlettungen 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

in 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 isi.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zu entwickeln zum schnellen, automatischen Einstellen und Naehfüh-

>o ren der Resonanzfrequenz von suprpleitenden Resonatoren mit elastisch verformbaren StKifcturteilen auf eine vorbestimmte, allen Resonatoren gememsame Sollfrequenz und zum verzögerungsfreien Wiedereinfangen bei durch äußere Störungen erzwungenen Frequenzab-

2t weichungen von der Sollfrequenz, sowie zum Einstellen einer vorbestimmten Phasenlage.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die in dessen Kennzeichen genannten Merkmale und durch die im

i» kennzeichnenden Teil des Anspruchs 4 beschriebene Schaltungsanordnung gelöst.

Jeder Resonator wird durch einen eigenen, rückgekoppelten VCO-gesteuerten Sender völlig unabhängig von den anderen Resonatoren mit HF-Energie gespeist.

r, Jeder Resonator ist somit stets auf seinen Sender angepaßt, unabhängig wie groß die Abweichung der momentanen Eigenfrequenz von der gemeinsamen Betriebsfrequenz (Sollfrequenz) sein mag.

Beim Einschalten oder bei einer störungsbedingten

■4» Abweichung der Eigenfrequenz von der Betriebsfrequenz zieht der HF-Sender seinen Resonator schnell und dauernd angepaßt durch den Frequenzbereich bis zum Schnittpunkt mit der gemeinsamen Betriebsfrequenz, bei der der sofortige Frequenzeinfa^g erfolgt.

•n Der zeitliche Ablauf dieses Prozesses h:it die Größenordnung von Millisekunden.

Die Frequenzregelung erfolgt durch mechanische Feinverformung von elastischen Strukturteilen im Resonator, im Wendelresonator z. B. durch Feinverfor-

">ii mung der Wendel. Diese Verformung wird durch ponderomotorische Kräfte erreicht. Solche ihrer Natur nach elektromagnetischen Kräfte sind dem Quadrat djr magnetischen und elektrischen Feldstärke im Resonator p.oportional. Wegen dieser quadratischen Abhängig-

i^ri keil lassen sich diese Kräfte und damit die die Resonanzfrequenz beeinflussende Feinvcrfofmung der Wendel oder eines anderen elastischen Strukturteiles über die HF-Amplitude des Resonators schnell und sehr empfindlich regeln

W) Daraus ergibt sich ein wesentlicher Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens, der darin besieht, daß der Frcquenz-Regelmechanismus direkt im Rrso.iator lokalisiert ist und auf dem dort ohnehin vorhandenen Hochfrequenzfeld basiert. Dadurch werden zusätzliche

*Ί verltistbehaftcte, empfindliche Koppelorgane und auch separat zu steuernde elektromagnetische Hilfsfelder zur Frequenzregelung durch mechanische Feinverfomuing überflüssig.

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Die mit dem vorgeschlagenen Verfahren erzielten Vorteile bestehen auch darin, daß die in elektromagnetischen Feldern zwangsläufig auftretenden ponderomotorischen Kräfte, die sich bei bekannten Anordnungen sehr nachteilig auf die Betriebssicherheit auswirken, 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 mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs I können die mechanischen Schwingungen, die die hochfrequenten Resonanzfrequenzen modulieren, nicht eliminiert werden. Der dadurch entstehende breite, mehrere Kilohertz betragende Frequenzhub der HF-Schwingungen muß über an den Resonator angekoppelte Kurzschlußleitungen und PIN-Dioden ausgeregelt werden. Die dabei in den normalleitenden Kurzschlußleitungen fließenden hohen eines Wendelresonators zeigt, /ό ist die Kigenfrcqucn/ des mechanisch ungestörten Resonators bei der Feldstärke /f-» 0. Mit steigender Feldstärke und der dadurch bedingten Deformation sinkt die Eigenfrequenz. Der Arbeitspunkt S ist durch die Sollfrequenz Λ und die Sollfeldstärke E, festgelegt. Kommt es nun zu einer erzwungenen Deformation durch eine äußere Störung, so daß die Nullfrequenz /n nach fo läuft, dann verschiebt sich auch die ganze Resonanzkurve nach rechts. Da die gespeicherte Energie — im verlustlos angenommenen Resonator — praktisch konstant bleibt, läuft auch die Feldfrequenz von der Arbeitsfrequenz f, auf der E,²-Horizontalen um Af nach rechts bis zum Punkt a'. Wird jetzt die Feldstärke erhöht, so wird nach Durchlauf des Intervalls ΔΕ2 « 2E*dfvon a'nach ö'die Sollfrequenz f, wieder erreicht.

Eine erzwungene Deformation in umgekehrter Richtung verschiebt die Nullfrequenz von /Ό nach fo" und

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 ponderomotorische Unterdrückung mechanischer Resonatorschwingungen überflüssig.

Die Wirkungsweise des Verfahrens und der Schaltungsanordnung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 7 wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, es zeigt

Fig. 1 Dynamik der Eigenfrequenz eines Wendelresonators,

F i g. 2 Regelung der Eigenfrequenz durch die Feldstärke.

Fig. 3 Blockschaltbild einer Regelschaltung zum Betrieb mehrerer Wendelresonatoren mit gleicher Frequenz,

F i g. 4 dynamische Dämpfung mechanischer Schwingungen,

Fig. 5 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- B, 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 Resonatoren feldabhängig deformiert. Für die hierdurch verursachte Verschiebung der Eigenfrequenz gilt bei kleinen Deformationen (für die in der Praxis bei Wendeln vorkommenden Feldstärken):

E² =

f_o = Frequenz bei E —»0
G = Geometriefaktor

In F i g. 1 ist diese Beziehung in einem E² (f)-Oiagramm dargestellt, das die Dynamik der Eigenfrequenz

läuft auf der E²-Horizontalen von S nach c, und durch eine Reduzierung der Feldstärke gelangt sie über das Intervall - B von cnach c/zurück zur Sollfrequenz Λ.

In der /(E)-Darstellung gemäß Fig. 2 wird der Regelmechanismus noch deutlicher, da sich die Relation AfIAE direkt ablesen läßt. Die von außen angeregten Frequenzsprünge von der /ö-Parabel auf die fo- und /J/'-Parabel lassen sich mit den Feldänderungen AEund -AEt f)Tipensieren. Auf den Wegen 5. a'. b'bzw. 5, c. d wird die Sollfrequenz f_s wieder erreicht. Mit

Af=, -2GEAE

ist Af — wegen der quadratischen Abhängigkeit der Frequenz von der Feldstärke — feldabhängig. Bei hohen Feldstärken lassen sich also mit kleinen Feldvariationen große Frequenzänderungen ausregeln. Bei statistischen Frequenzverschiebungen im Bereich 0 < E< E, von der Größenordnung 100 kHz und Frequenzschwankungen durch äußere Störungen von einigen wenigen kHz ist die Beeinflussung der Flachheit durch die Frequenzregelung über das Feld unerheblich, insbesondere, weil die quadratische Abhängigkeit

/■= fo- GB

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

F i g. 3 zeigt das Grundprinzip einer Regelschaltung zum Betrieb mehrerer Wendelresonatoren mit gleicher Betriebsfrequenz.

Von einer mit supraleitenden Wendelreson. toren 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 6 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

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Differenzfrequenz, also die Regelabweichung bildenden Frequenzdiskriminator 13, dessen die Richtspannung führender Ausgang 14 über einen nur eine vorbestimmte erste Polarität der Richtspannung verstärkenden ersten Gleichspannungsverstärker 15 auf den Amplitudenmodulator 12 des Resonators 2 geschaltet ist.

Der Frequenzgleichlauf /i — /j wird ausgehend von einem Betriebszustand /j > /Ί erreicht, indem der von dem Ficquenzdiskriminator 13 gesteuerte Amplitudenmodulator 12 die volle Leistung des HF-Senders 7 freigibt, so daß es zu einer schnellen Feldstärkeerhöhung im Resonator 2 und damit gemäß F i g. 2 zu einer schnellen Herabsetzung der Frequenz h kommt. Beim Erreichen der Frequenzübereinstimmung des taktgebenden Resonators 1 und des geführten Resonators 2, also f\ - h, wird der HF-Sender 7 durch den Amplitudenmodulator 12 auf den Leistungsbedarf des stationären Zustandes gedrosselt.

Um einen Frequenzgleichlauf /i — /j ausgehend von h < f\ erreichen zu können, ist der Reihenschaltung aus dem Amplitudenmodulator 12 und dem HF-Generator 7 ein Dämpfungsglied (16) parallel geschaltet, das von dem die Richtspannung führenden Ausgang 14 des Frequenzdiskriminators 13 über einen nur eine zweite Polarität der Richtspannung verstärkenden zweiten Gleichspannungsverstärker 17 gesteuert wird. Der Resonator 2 wird durch das über eine zweite Koppeleinrichtung 18 angekoppelte Dämpfungsglied 16 stark bedämpft, so daß entsprechend Fig.2 mit der schnellen Reduktion der Feldstärke im Resonator 2 die Frequenz /j erhöht wird, bis der Ausgleich h = f\ erreicht ist und die Dämpfung über den Frequenzdiskriminator aufgehoben wird.

Das Dämpfungsglied 16 kann z. 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 h < f\ stellt diese Triode einen Abschluß mit dem Wellenwiderstand dar, und bei Z₂ > U 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 Koppelschleife, an den Resonator 2 zu koppeln.

Die starke Aufladung des geführten Resonators 2 bei Frequenzen h > /ι durch den Amplitudenmodulator 12 einerseits und die starke Dämpfung bei Frequenzen h < f\ durch das Dämpfungsglied 16 andererseits wird der Resonator 2 auf der Frequenz des taktgebenden Resonators 1 gehalten.

Diese Amplitudensteuerung ist sehr schnell, da die Beeinflussung des Resonators 2 mit dem als Leistungssender dimensionierten HF-Sender 7 und dem optimalen Dämpfungsglied 16 fiber eine starke Kopplung erfolgt Dadurch werden Zeitkonstanten erreicht, die klein gegenüber den Perioden der mechanischen Schwingungen der Wendel oder allgemein der elastisch verformbaren Resonatorbauelemente sind. Diese gezielte Steuerung der ponderomotorischen Kräfte ermöglicht die erforderliche mechanische Feinverforiramg der Wendel.

In der Schaltungsanordnung nach F i g. 3 wirkt diese

Verformung als Gegenkopplung gegen parasitäre Schwingungen der Wendel. Eine Kontraktion der Wendel, die zu einer Frequenz /i < /Ί führt, wird wegen der sofort voll einsetzenden hochfrequenten Bedämp-) fung der Wendel gestoppt. Einer Expansion der Wendel mit der Konsequenz /j > Ί wirken die sogleich voll eingeschalteten zusätzlichen ponderomotorischen Kräfte entgegen. Hier handelt es sich also nicht um eine analoge Amplitudensteuerung nach einer linearen oder

ίο 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 des Resonators 1 hineinzieht.

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

Die Phasenvergleichsbrücke 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 Reaktanz der Stichleitung 22 kann z. B. in an sich

jo bekannter Weise mit sog. PIN-Dioden geändert werden. Der Tiefpaß 20 soll verhindern, daß die Phasenregelung schon einsetzt, wenn h und /| 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 Richtspannung aus dem Frequenzdiskriminator 13 (großer Frequenzhub) und aus der Phasenvergleichsbrücke 19 (Phasengleichlauf) sind über den Tiefpaß 20 entkoppelt Damit ist sichergestellt, daß die Resonanzfrequenz h bis auf eine minimale Korrektur für den Phasengleichlauf vom Amplitudenmodulator 12 und vom Dämpfungsglied 16 Ober die Amplitude auf der Taktfrequenz f\ 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 Dämpfungsso glied 16. Die Stichleitung 22 ist nur in besonderen Fällen für die Feinformung der Phase innerhalb des Stabilitätsbere'chs der zu beschleunigenden Teilchen zuständig. Hierzu genügen ein kleiner Koppelfaktor und kleine Dimensionierung der Stichleitung 22 und der Koppel einrichtung 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

ω evtL Störungen verfolgt werden.

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

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 entgegengerichtete 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.4 dargestellten Bewegungsabläufe.

Die Bewegung eines Massenpunkts der Wendel verläuft z. B. entsprechend F i g. 4a nach der Kurve x(t). Diese Bewegung löst mit Hilfe des Amplitudenmodulators 12 und des Dämpfungsgliedes 16 (vgl. F i g. 3) die Gegenkraft K\(x)_t in Form der in K i g. 4b dargestellten Rechteckkurve aus. Zur Erhöhung der Stabilität des Systems können die vor den Nulldurchgängen wirkenden, schädlichen Beschleunigungskräfte durch eine geschwindigkeitsabhängige Regelgröße kompensiert oder überkompensiert werden.

Zu diesem Zwecke wird die Ortskurve x(t) nach der Zeit differenziert (Fig.4a). Die Umkehrung der Ableitungskurve liefert dann die Funktion für die geschwindigkeitsabhängige Kompensationskraft —(axl dt), (Fig.4b). Die Summe dieser ^-abhängigen und x-abhängigen Kräfte liefert die an der Wendel angreifende Kraft

K = ciK,{x) + bK₂(r)

oder mit

K₂ = -

K =

dx_ df '

df

Die Faktoren a und b sind Parameter, mit denen die Amplituden der Rechteckspannung und der Ableitungsfunktion und damit der beiden Kraftkomponenten eingestellt werden können.

Nimmt man eine harmonische Schwingung der Wendel x(t) = λό sin ω/ an, dann ergibt sich 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, also 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 {Rechteckfunktion) und b- auf den ^abhängigen Anteil sind mi i g. 4b dargestellt.

Durch eine Zeitverschiebung der Ableitungsfunktien um den Parameter ft kann der Bremsimpuls durch die dynamische Gegenkraft K\(x), stark beeinflußt werden, ίο

wie der Verlar,' der strichlierten ^/Kurven in F i g. 4c zeigt. Der dynamische Gegenimpuls wird durch die senkrecht (t = - f,) bzw. waagrecht (I = t,) schraffierten Flächen über der Nullinie repräsentiert. Mit den Parametern a, b und /ι kann die Funktion

K = ίΐΚ,(.χ), - b

-hf ^S

UtJ,

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, u liegt dann vor, wenn sich die Wendel unter gegebenen Bedingungen aperiodisch verhält. Bei diesem Verfahren sind Instabilitäten und insbesondere die Anregung parasitärer Schwingungen ausgeschlossen.

F i g. 5 zeigt das Blockschaltbild einer Regelschaltung mit geschwindigkeitsabhängiger Bedämpfung der Wendelschwingungen. Die Schaltelemente mit den Positionsnummern 1 bis 27 entsprechen in ihren Funktionen den Elementen gleicher Numerierung in der Schaltungsanordnung der Fig.3. Das »'-abhängige Korrektursignal — dx/di — siehe Fig.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 fi für -(dx/dt),+ ,, in F i g. 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 Amplituden-I) modulator 12.

Das Ausgangssignal des Laufzeitgliedes 29 ist ferner über einen nur eine vorbestimmte zweite Polarität der Richtspannung verstärkenden Gleichspannungsverstärker 32 auf ein Dämpfungsglied 33 geführt. Mit diesen zwei Kanälen wird die dynamische Kraft

bKi= -b{dx/dt),+ n

im Resonator 2 geformt (vgl. Fig.4b, c und Gleichungen (1) und (3)). Im Resonator 2 überlagern sich die

4^r> Kräfte bKi und aK\. die mit den anhand von F i g. 3 bereits beschriebenen Kanälen 15, 12, 7 und 17, 16 eingekoppelt werden, zu der resultierenden Kraft K(t).

Die Verstärkungsfaktoren der vom Frequenzdiskriminator 13 gesteuerten Rechteckverstärker 15 und 17 werden mit Parameter (a)und die Verstärkungsfaktoren der vom Differenzglied 28 gesteuerten Linearverstärker 32 und 30 werden mit Parameter (Z^ eingestellt Mit den Parametern a und b und der Zeitvariation t\ ergibt sich dann der in F i g. 4c dargestellte Verlauf der resultieren den im Resonator 2 wirkenden elektromagnetischen Korrekturkraft k(t).

Praktisch werden für die Speisung und Regelung des Resonators 2 keine drei Koppelschleifen benötigt Die HF-Technik bietet viele geeignete Schaltelemente, mit

eo denen die Mischung der Ausgänge des HF-Senders 7, der Dämpfungsglieder 16, 33 und der Stichleitung 22 außerhalb des Resonators ohne Belastung des Hef \- Haushalts durchgeführt werden kann.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1, Verfahren zum Regeln der Eigenfrequenz und der Phasenlage mehrerer supraleitender Resonatoren (1,2) mit folgenden Merkmalen,

a) die supraleitenden Resonatoren (t, 2) sind in eine übergeordnete Einrichtung, z, B, einen Teilchenbeschleuniger, einen Separator oder einen Speicherring integriert,

b) jeder der supraleitenden Resonatoren (1, 2) weist elastisch verformbare frequenzbestimmende Strukturteile auf, ist also z. B. als Wendelresonator ausgebildet,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale,

c) jeder Resonator (1,2) wird unabhängig von den anderen zur gleichen Einrichtung gehörenden Resonatoren (1, 2) von einem separaten HF-Generator (3, 7) mit Hochfrequenzenergie versorgt,

d) jeder HF-Generator (3, 7) ist an seinen Resonator (1,2) in der Weise angekoppelt, daß die Betriebsfrequenz des HF-Generators (3, 7) und die momentane Resonatoreigenfrequenz übereinstimmen, 2>

e) die Feineinstellung der Resonatoreigenfrequenz erfolgt durch mechanische Feir.verformungder frequenzbestimmenden Strukturteile,

f) die mechanische Feinverformung erfolgt durch

im Inneren des Resonators (1, 2) wirkende i» ponderomotorische Kräfte,

g) die ponueromotorischen Kräfte werden unter Ausnützung ihrer Abhängigkeit vom Quadrat der magnetischen Feldstärke durch die Hochfrequenzamplitude im R ionator (1, 2) ge- r> steuert,

h) die magnetische Feldstärke wird im Wechselspiel zwischen starker Leistungseinkopplung und starker Hochfrequenzdämpfung eingestellt,

i) die damit bewirkte mechanische Feinverfor- ■»" mung ist der Ursache der unerwünschten Verschiebung der Eigenfrequenz entgegengerichtet,

k) nach dem Einstellen der Eigenfrequenz eines Einzelresonators auf die Betriebsfrequenz der r. Einrichtung wird eine vorbestimmte Phasenlage mit einer Phasenmeßbrücke über den gleichen amplitudengesteuerten Mechanismus der Feinverformung frequenzbestimmender Strukturteile, z. B. einer Wand des Resonators eingestellt.

2. Verfahren nach Anspruch I, gekennzeichnet durch folgende Merkmale,

a) die mechanischen Störschwingungen des Resonators (1, 2) werden lageabhängig und gc- τ, schwindigkeitsabhängig gedämpft,

b) es wird ein von der Auslenkung mechanisch schwingender Strukturierte, z. B. einer Wand des Resonators, abhängiges Amplitudensteuersignal erzeugt, mi

c) es wird ein von der Geschwindigkeit der schwingenden Struklurteile abhängiges zweites Signal erzeugt.

d) bei Annäherung der schwingenden Strukturteile an ihre mechanische Ruhelage wird zur h'i aperiodischen Dämpfung der mechanischen Störschwingung die Bewegung der schwingenden Strukturteile bereits vor dem Nulldurchgang durch eine geschwmdigkeitsabhSngige ponderomotorische Gegenkraft gebremst,
3_r Schaltungsanordnung zum Durchführen des

Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale,

a) jeder Resonator (1,2) ist it> einen von anderen Resonatoren unabhängigen Versorgungskreis mit einem rückgekoppelten HF-Sender (3, 7) geschaltet,

b) im Rückkopplungszweig eines ersten als Taktgeber arbeitenden Resonators (1) ist ein Amplitudenkonstanthalter (5) und ein Phasendreher (6) angeordnet,

c) der Rückkopplungszweig eines zweiten, vom Taktgeber geführten Resonators (2) besteht im wesentlichen aus einem Amplitudenkonstanthalter (9), einem HF-Verteiler (10), einem Phasendreher (11) und einem Amplitudenmodulator (12),

d) der Amplitudenmodulator (12) ist von einem die Differenzfrequenz (Regelabweichung) zwischen dem ersten Resonator (1) (Sollwert) und dem zweiten Resonator (2) (Istwert) bildenden Frequenzdiskriminator (13) über einen ersten Gleichspannungsverstärker (15) gesteuert,

e) ein Phasendiskriminator (19) vergleicht die Sollphase dss taktgebenden Resonators (1) mit der Istphase des geführten Resonators (2) und steuert nach Erreichen des Frequenzgleichlaufes über einen Tiefpaß (20) den ersten Gleichspitnnungsverstärker(15),

f) der die Richtspannung führende Ausgang (14) des Frequenzdiskriminators (13) ist über einen nur eine vorbestimmte erste Polarität der Richtspannung verstärkenden ersten Gleichspannungsverstärker (15) auf den Amplitudenmodulator (12) des zweiten Resonators (2) geschaltet,

g) parallel zu der Reihenschaltung aus dem Amplitudenmodulator (12) und dem HF-Generator (7) ist an den die Richfspannung führenden Ausgang (14) des Frequenzdiskriminators (13) ein Dämpfungsglied (16) geschaltet,

h) dem Dämpfungsglied (16) ist nur eine vorbestimmte zweite Polarität der Richtspannung verstärkender zweiter Gleichspannungsverstärker (17) vorgeschaltet.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch 'olgende Merkmale.

a) das Dämpfungsglied (16) besteht aus einer an den Resonator mit einer zweiten Koppeneinrichtung (18) stark angekoppelten kurzgeschlossenen Koaxialleitung,

b) in einem Spannungsbauch der Koaxialleitung ist ein steuerbares Bauelement zum Einstellen eines vorbestimmten Widerstandes angeordnet.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß

a) zur Kontrolle der Phasenlage zwischen die Rückkopplungszwcigc des als Taktgeber arbeilenden ersten Resonators (1) und des geführten zweiten Resonators (2) eine Vergleichsbrücke (19) geschaltet ist und

b) der Ausgang der Phascnvcrgleichsbrücke (19) über einen Tiefpaß (20) und einen Verstärker (21) auf den Eingang einer an den zweiten Resonator angekoppelten Stichleitung geschaltet ist.

6, Schaltungsanordnuqg nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der über den Tiefpaß (20) geführte Ausgang (24) der Phasenverglejcbsbrüeke (19) auf die Eingange der Gleichspannungsverstärker (15,17) des Amplitudenmodulators (12) und des Dämpfungsgliedes (16) geschaltet ist

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale,

a) zum geschwindigkeitsabhängigen Bedampfen mechanischer Schwingungen von Resonatorbauteilen ist dem Frequenzdiskriminator (13) ein Differenzierglied (28) zum Erzeugen eines geschwindigkeittabhängigen Korrektursignals (—dx/d i/nachgeschaltet,

b) zu dem Differenzierglicd (28) ist ein Laufzeitglied (29) zum Einstellen einer vorbestimmten Zeitverschiebung t\ des geschwindigkeitsabhängigen Korrektursignals in Reihe geschaltet,

c) der Ausgang des Laufzeitgliedes (29) ist auf einen ersten Gleichspannungsverstärker (30) für Signale einer ersten Halbwelle und auf einen zweiten Gleichspannungsverstärker (32) für Signale einer zweiten Halbwelle geschaltet,

d) dem ersten Gleichspannungsverstärker (30) ist ein mit dem HF-Generator (7) verbundener Amplitudenmodulator (31) und dem zweiten Gleichspannungsverstärker (32) ein über eine Koppeleinrichtung (18) auf den Resonator (2) wirkendes Dämpfungsglied (33) nachgeschaltet (F ig. 5).