DE3208655A1 - Koppelvorrichtung mit variablem koppelfaktor fuer einen supraleitenden hohlraumresonator - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA fä P 3 0 6 5

Koppelvorrichtung mit variablem Koppelfaktor für einen supraleitenden Hohlraumresonator

Die Erfindung bezieht sich auf eine Koppelvorrichtung mit variablem Koppelfaktor zum vakuumdichten Ankoppeln eines rotationssymmetrischen, tiefstzukühlenden supraleitenden Hohlraumresonators hoher elektrischer Güte an einen HF-Generator oder eine HF-Meßapparatur Über einen die HF-Leistung der Wellenlänge % übertragenden Re.chteckhohlleiter, der an ein senkrecht zu ihm angeordnetes, mit dem Resonator verbundenes Koaxialsystem angeschlossen ist, das einen von einer Endplatte abgeschlossenen Metallbalg enthält und in dem ein an der Endplatte befestigter, in ein Strahlrohr des Resonators hineinragender Koppelstift konzentrisch angeordnet ist. Eine entsprechende Koppelvorrichtung ist aus der Dissertation von D.Proch "Messungen an supraleitenden Beschleunigungsresonatoren", Gesamthochschule Wuppertal, März 1978, Ka. 3.3 (Seiten 28 bis 40) bekannt.

Zur Ankopplung supraleitender, hohlzylinderförmiger Hohlraumresonatoren, beispielsweise vom TM-Typ für Teilchenbeschleuniger, an einen Hochfrequenz-Generator oder eine Hochfrequenz-Meßanordnung können in die Strahlrohre des Resonators zentrisch und axial verschiebbar supraleitende Koppelstifte eingeführt werden. Durch axiale Verschiebung dieser Stifte und nach Maßgabe des Abstandes zwischen der eigentlichen Resonatorkammer und dem Stiftende ist die Stärke der Kopplung zwischen dem Resonator und

SIm 2 Hag / 4.3.1982

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dem äußeren Generator bzw. der Meßanordnung einstellbar.

Wird die Hochfrequenzleistung über einen normal« 5 oder supraleitenden Rechteckhohlleiter zu- bzw. abgeführt, so ergeben sich Probleme beim übergang von diesem Hohlleitersystem auf den aus Koppelstift und Strahlrohr gebildeten Teil eines Koaxialsystems. Dieser Übergang muß einerseits die freie axiale Beweglichkeit des Koppelstiftes gewährleisten, wobei insbesondere aufeinander gleit ende Metallteile wegen eines eventuellen störenden Abriebs zu vermeiden sind; andererseits muß er die Vakuumdichtigkeit des Systems gewährleisten, da der Resonator im allgemeinen zu evakuieren ist. Außerdem wird gefordert, daß der Übergang vom Rechteckhohlleiter auf den Resonator hochfrequenzmäßig reflektions- und verlustarm sein soll.

Diese Anforderungen können weitgehend dadurch erfüllt werden, daß der Koppelstift mittels zweier Bohrungen in den Breitseiten des Hohlleiters berührungslos quer durch diesen geführt wird. Der Stift ragt außerhalb des Hohlleiters auf einer Seite in das Strahlrohr des hier vakuumdicht angeflanschten Resonators; auf der anderen Seite endet er in einer elektrisch leitenden Endplatte. Diese Endplatte ist mit der Außenwand des Hohlleiters über einen Metallbalg vakuumdicht verbunden. Die Führung des Stiftes wird von einer entsprechenden Mechanik außerhalb des Metallbalges übernommen. Der Metallbalg und der Koppelstift bilden gemeinsam eine Koaxialleitung, deren Länge je nach erforderlicher Ankopplung des Resonators variiert wird (vgl. die eingangs genannte Dissertation, ins-

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"besondere Bild 3.3.2).

Die im Hohlleiter transportierte Leistung wird zu einem Teil auch in diese Koaxialleitung eingekoppelt. Dabei sind jedoch in dem im allgemeinen aus normalleitendem Material zu erstellenden Metallbalg Verluste nicht zu vermeiden. Da diese Koppelverluste meßtechnisch nicht ohne weiteres von den Resonatorverlusten zu unterscheiden sind, entsteht ein systematischer Meßfehler bei der Ermittlung der Resonatorgüte. Dieser Meßfehler hängt außerdem von der axialen Position des Koppelstiftes ab.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bekannte Koppe!vorrichtung so zu verbessern, daß die genannten Koppelverluste vermindert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Koaxialsystem zwischen dem Metallbalg und der Anschlußstelle des Rechteckhohlleiters ein mehrstufiger^/^-Transformator vorgesehen ist, dessen untereinander benachbarte Stufen aus hohlzylindrischen Leitungsstücken gebildet sind, die zumindest weitgehend gleiche axiale Länge von etwa 2. /4 und verschiedene Innendurchmesser haben.

Die mit dieser Ausgestaltung der Koppelvorrichtung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß durch den 9. /4-Transf ormator einerseits die von dem Metallbalg hervorgerufenen Verluste reduziert werden können, andererseits ein größerer axialer Hub des Koppelstiftes ermöglicht wird, ohne daß damit eine wesentliche Beeinflussung der Verluste verbunden ist.

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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Koppelvorrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten vorteilhaften Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur als ' Längsschnitt eine Koppelvorrichtung nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

Die in der Figur gezeigte Koppelvorrichtung weist ein vakuumdichtes Einkoppelteil 2 auf, an dessen einer Seite ein rotationssymmetrischer Hohlraumresonator j5 vom TML.Q-Typ aus supraleitendem Material wie z.B. Niob angeflanscht ist. Dieser Resonator, der beispielsweise in der Veröffentlichung "Cryogenics", Januar 1976, Seite 20 veranschaulicht ist, enthält zwei stirnseitige, lochscheibenförmige Flanschteile 4 und 5, die jeweils nach außen hin Strahlrohre 6 und 7 begrenzen. Zwischen den beiden Strahlrohren befindet sich der eigentliche zylinderförmige Resonatorhohlraum 8.

Das Einkoppelteil 2_ stellt im wesentlichen ein rohrförmiges, einseitig offenes Koaxialsystem bezüglich einer mit dem Resonator 3_ gemeinsamen Achse 10 dar. Dieses System enthält an seinem dem Resonatorflansch 4 gegenüberliegenden Ende einen von einer z.B. supraleitenden Endplatte 12 abgeschlossenen Metallbalg 13, der beispielsweise aus normalleitendem Material besteht. Die axiale Ausdehnung L des Metallbalges 13 ist mit einer in der Figur nicht gezeigten Betätigungsvorrichtung einstellbar. Da der Metallbalg ohnehin Verluste bewirkt,

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kann die Endplatte 12 gegebenenfalls auch aus normalleitendem Material bestehen. An dieser Endplatte ist ein zentraler Koppelstift 14 befestigt, der mit seinem freien Ende in das Strahlrohr 6 des Resonators £ hineinragt. Aufgrund der Dehnbarkeit des Metallbalges 13 in axialer Richtung kann der Koppelstift 14 verschieden tief in das Strahlrohr 6 hineingeführt werden. Der Stift kann vorteilhaft supraleitend ausgebildet sein. Auf dem Koppelstift können nämlich im Bereich seines in den Resonator hineinragenden Teils Verluste entstehen, da dort auch im Strahlrohrbereich noch verhältnismäßig große HF-Feldstärken herrschen können. Mit einem supraleitenden Koppelstift lassen sich Jedoch die Koppelverluste verhältnismäßig gering halten.

Der Innenraum des Einkoppelteils 2 ist in einem Bereich zwischen dem Resonatorflansch 4 und dem Metallbalg 13 von einem senkrecht zur Achse 10 des Koaxialsystems ausgerichteten Rechteckhohlleiter 15 durchsetzt, der im Bereich der Achse 10 öffnungen 17 und 18 aufweist, durch die sich der Koppelstift 14 berührungslos erstreckt. Das aus dem Koaxialsystem des Einkoppelteils herausragende freie Ende 19 des Rechteckhohlleiters ist von einem Kurzschlußstück 20 abgeschlossen, das sich in Ausdehnungsrichtung des Hohlleiters verschieben läßt.

Durch den Rechteckhohlleiter 15 wird das Koaxialsystem des Einkoppelteiles 2 in zwei koaxiale Leitungsteile 22 und 23 unterteilt. Der erste koaxiale Leitungsteil 22 erstreckt sich dabei von der dem Resonator 3_ zugewandten Wandöffnung 18 des Rechteckhohlleiters 15 bis zur Spitze 24 des Koppelstiftes 14 in dem Strahlrohr 6. Der zweite

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koaxiale Leitungsteil 23 liegt zwischen der den Metallbalg 13 abschließenden Endplatte 12 und der Öffnung 17 des Hohlleiters.

Die Ankopplung des Resonators 3_ an den Rechteckhohlleiter 15 erfolgt in zwei Stufen. Die Eingangsleistung P wird in bekannter Weise zunächst vom Rechteckhohlleiter 15 auf den ersten koaxialen Leitungsteil 22 übertragen, wobei dieser Übergang eine erste Koppelstelle darstellt. In dem Bereich des ersten koaxialen Leitungsteiles 22 bildet der Koppelstift 14 den Innenleiter einer Koaxialleitung, die eine Koaxialwelle führt. Am Stiftende 24, das eine zweite Koppelstelle darstellt, wird eine Hohlleiterwelle angeregt, deren Amplitude aufgrund des verhältnismäßig geringen Strahlrohrdurchmessers stark abnimmt. Der die Hohlleiterwelle stark dämpfende Teilraum 25 des Strahlrohres zwischen dem Ende 24 des Koppelstiftes 14 und dem Resonatorinnenraum 8 wird deshalb auch als "cut-off"-Kamin bezeichnet. Durch mehr oder weniger tiefes Eintauchen des Stiftes 14 in das Strahlrohr 6 läßt sich eine vorbestimmte Dämpfung zwischen dem Stiftende 24 und dem Resonatorβingang einstellen, d.h. kann die Ankopplung variiert werden.

Für jede der genannten Koppelstellen kann ein Koppelfaktor /3' bzw. /3^ff definiert werden. Beide Faktoren sind variabel, wobei der gesamte Koppelfaktorß, der die Ankopplung des Resonators 3_ an den Rechteckhohlleiter 15 beschreibt, eine Funktion von den beiden Koppelfaktoren ß ' und /3¹ ' ist. Durch eine Veränderung des Abstandes a des KurζSchlußscheibers 20 von der Achse 10 des Koaxialsystems läßt sich der Koppelfaktor ß' so einstellen, daß die im Hohl-

Iff

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leiter verlaufende Leistung P in den koaxialen Leitungsteil 22 zumindest zu einem großen Teil eingekoppelt wird, d.h. daß ein reflektionsarmer Übergang erreicht wird. Diese Einstellung des Ab-Standes a bestimmt auch für jeden Wert des Kopplungsfaktors ß* ' den maximal erreichbaren Wert des gesamten Koppelfaktors β . Der Koppelfaktor β '' läßt sich dabei über die axiale Länge 1 des Teilraumes 25 zwischen dem Koppelstiftende 24 und dem Resonatorinnenraum 8 beeinflussen.

Bei Verwendung eines Einkoppelteils 2 mit einem zweiten, sich an den Hohlleiter anschließenden koaxialen Leitungsteil 23, der auf der dem Resonator

2. abgewandten Seite des Hohlleiters 15 liegt und den Metallbalg 13 und den Koppelstift 14 enthält, wird jedoch ein Teil der über den Hohlleiter zugeführten Leistung P auch in diesen koaxialen Leitungsteil 23 eingekoppelt. Dabei wird an der Durchführungsöffnung 17, an der der Koppelstift 14 die Hohlleiterwand durchstößt, eine Leitungsimpedanz Z ausgebildet, welche die Koppelverluste stark beeinflußt. Wird nämlich ein koaxialer Leitungsteil vorgesehen, der wie bei den bekannten Koppelvorrichrungen lediglich aus dem von der Endplatte 12 abgeschlossenen, den Koppelstift 14 konzentrisch umschließenden Metallbalg 13 besteht, so stellt sich eine Impedanz Z ein, die im allgemeinen stark von der axialen Länge L des Metallbalges 13 abhängt.

Diese Länge L variiert, da der Koppelstift 14 zur Erreichung einer variablen Dämpfung in dem Teilraum 25 des Strahlrohres 6 mehr oder weniger tief in das Strahlrohr eingeführt werden muß. Damit variiert aber auch die Impedanz Z, so daß die Verkopplung des Stiftes mit dem Feld des Hohlleiters ebenfalls

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Schwankungen unterworfen ist.

Um prinzipiell das Eindringen von HF-Leistung in den Bereich des Metallbalges 13 und somit die ungünstige Beeinflussung der auftretenden Koppelverluste durch die Leitungsimpedanz Z zu vermindern, ist erfindungsgemäß bei der Koppelvorrichtung vorgesehen, daß in dem koaxialen Leitungsteil 23 zwischen dessen Metallbalg 13 und der die öffnung 17 für den Koppelstift 14 aufweisenden Wand des Hohlleiters 15 ein mehrstufiger "X /4-Transformator vakuumdicht angeordnet ist. Als eine Stufe eines solchen X/4-Transformators wird dabei ein rohrförmiges Leitungsstück der axialen Länge von zumindest annähernd %/4 angesehen, für das die folgende Beziehung gilt:

(z_T)²

Dabei sind Z und Z « /^ die Leitungsimpedanzen am Anfang bzw. Ende des Leitungsstücks der Länge 2/4 und Z_T der Wellenwiderstand dieses LeitungsStückes. Werden beispielsweise zwei derartige Stufen mit Wellenwiderständen Z^₁ und Zr^ zu einem Transformator zusammengefügt, so gilt

und man erkennt die Transformation der Abschlußimpedanz Z_Q nach Maßgabe des Faktors (Ζ_τ2/^Ζτι) ·

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach der Figur ist ein dreistufiger'2./4-Transformator 27, angenommen, dessen einzelne Stufen mit jeweils einer axialen Länge

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von %/4 mit 28 bis 30 bezeichnet sind. In die erste, dem Hohlraumleiter 15 zugewandte Stufe 30 ist dabei die Hohlraumleiterwand bzw. dessen DurchfUhrungsöffnung 17 integriert. Bei einem solchen mehrstufigen 2,/k-Transformator müssen jeweils benachbarte Stufen unterschiedliche Innendurchmesser haben. Dementsprechend ist bei der dreistufigen Ausführungsform gemäß der Zeichnung der Innendurchmesser d der stirnsei tigen Stufen 28 und 30 des Transformators 2£ wesentlich kleiner als der Innendurchmesser D der zwischen diesen beiden Stufen liegenden Stufe 29. Vorteilhaft wird der Durchmesser D mindestens 2 mal, vorzugsweise mindestens 5 mal größer als der Durchmesser d gewählt. Dabei ist vorteilhaft der kleinere Innendurchmesser d höchstens 3 mal so groß wie der Durchmesser S des Koppelstiftes 14. Dann läßt sich erreichen, daß die am Durchstoßpunkt 17 des Koppelstiftes 14 durch die Hohlleiterwand auftretende maximale Leitungsimpedanz Z um einen Faktor von etwa 100 kleiner ist als die Leitungsimpedanz bei einem entsprechenden koaxialen Leitungsteil 23» bei dem ein 3,/4-Transformator nicht vorgesehen ist. Umgekehrt ermöglicht der erfindungsgemäße 2/4-Transformator bei gleichen Anforderungen an die Leitungsimpedanz Z einen um einen Faktor von beispielsweise 15 höheren resonanzfreien axialen Hub des Koppelstiftes 14 durch eine entsprechende Dehnung des Metallbalges 13. Diese Faktoren können außerdem noch durch Wahl von mehr oder weniger Transformator-

30. stufen in weiten Grenzen variiert werden.

Aufgrund des Wechsels in den Durchmessern bei dem d /4-Transformator gemäß der Erfindung zwischen d und D entstehen geringfügige Störungen des koaxialen Feldes. Diese Störungen können gegebenenfalls

-IjS* VD Λ S© P ^ Π R ^ CIP

— W9— VJrA <β& Ir νΐ U U J tkJ&

dadurch kompensiert werden, daß die axiale Länge der einzelnen Stufen 28 bis 30 nicht exakt zu %/k gewählt wird, sondern zu 2/4 ^A, wobei Δ sehr viel kleiner als % /4 ist und nach Maßgabe des Durchinesserverhältnisses D/d z.B. einige 1/100 mm beträgt (vgl. z.B. H.Meinke und F.W.Gundlach: "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", Springer-Verlags, 1968₉ 3« Auflage, Seiten 3β9 und 370).

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach der Figur ist nur an die an den Resonatorflansch 4 vakuumdicht angefügte Einkoppeleinheit 2 der Koppelvorrichtung nach der Erfindung näher eingegangen« kn dem dem Resonatorflansch 4 gegenüberliegenden Flansch 5 kann eine entsprechend aufgebaute Auskoppeleinlisit 31 angeschlossen sein. Da diese Auskoppeleinheit entsprechend dem Einkoppelteil 2 arbeitet, ist in der Figur auf eine zeichnerische Darstellung dieser Einheit im wesentlichen verzichtet worden» Die Auskoppeleinheit kann z«,B„ über einen Rechteckhohlleiter mit einer Meßapparatur zur Bestimmung der ausgehenden Leistung verbunden sein.

In der Figur ist die Ankopplung eines Rechteckhohlleiters an einen nach dem TM-Mode arbeitenden supraleitenden Hohlraumresonator veranschaulicht. Gegebenenfalls können jedoch auch TE-Resonatoren mit der erfindungsgemäßen Koppelvorrichtung, die für diesen Resonatortyp angepaßte Anschlußteile enthält,, verbunden werden.

9 Patentansprüche
1 Figur

Leerseite

Claims (9)

1. -vr- VPA 82 P 3 0 δ 5 DE Patentansprüche

   M ./koppelvorrichtung mit variablem Koppelfaktor zum vakuumdichten Ankoppeln eines rotationssymmetrischen, tiefstzukühlenden supraleitenden Hohlraumresonators hoher elektrischer Güte an einen HF-Generator oder eine HF-Meßapparatur über einen die HF-Leistung der Wellenlänge 3, übertragenden Rechteckhohlleiter, der an ein senkrecht zu ihm angeordnetes, mit dem Resonator verbundenes Koaxialsystem angeschlossen ist, das einen von einer Endplatte abgeschlossenen Metallbalg enthält und in dem ein an der Endplatte befestigter, in ein Strahlrohr des Resonators hineinragender Koppelstift konzentrisch angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Koaxialsystem (2) zwischen dem Metallbalg (13) und der Anschlußstelle des Rechteckhohlleiters (15) ein mehrstufiger %/4-Transformator (27) vorgesehen ist, dessen untereinander benachbarte Stufen aus hohlzylindrischen Leitungsstücken (28 bis 30) gebildet sind, die zumindest weitgehend gleiche axiale Länge von etwa %/4 und verschiedene Innendurchmesser (d; D) haben.
2. 2. Koppelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Rechteckhohlleiter (15) sich durch das Koaxialsystem (2) hindurcherstreckt und zwei öffnungen (17, 18) aufweist, durch die der Koppelstift (14) berührungslos hindurchgeführt ist.
3. 3. Koppelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das aus dem Koaxialsystem (2) herausragende Ende (19) des Rechteckhohlleiters (15) von einem Kurzschlußschieber (20)

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   abgeschlossen ist, dessen Abstand (a) bezüglich der Achse (10) des Koppelötiftes (14) einstellbar ist.
4. 4. Koppelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß der 2/4-Transformator (2J£) drei in axialer Richtung hintereinander gereihte Stufen (28 bis 30) aufweist, wobei die äußeren, stirnseitigen Stufen (28 und 30) gleichen Innendurchmesser (d) haben, der wesentlich kleiner als der Innendurchmesser (D) der mittleren Stufe (29) ist.
5. 5. Koppelvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Innendurchmesser (D) der mittleren Stufe (29) mindestens 2 mal, vorzugsweise mindestens 5 mal größer als der Innendurchmesser (d) der äußeren Stufen (28, 30) ist.
6. 6. Koppelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß

   der vergleichsweise kleinere Innendurchmesser (d) der Stufen (28; 30) des ^./4-Transformators (27) höchstens 3 mal so groß wie der Durchmesser (S) des Koppelstiftes (14) ist.
   25
7. 7. Koppelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufen (28 bis 30) des 2/4-Transformators (27) supraleitend ausgebildet sind.
8. 8. Koppelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelstift (14) supraleitend ausgebildet ist.

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9. 9. Koppelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die den Metallbalg (13) abschließende Endplatte (12) supraleitend ausgebildet ist.