DE4033180A1

DE4033180A1 - Focusing coaxial cylindrical resonator - is designed in particle accelerators or synchrotron rings

Info

Publication number: DE4033180A1
Application number: DE19904033180
Authority: DE
Inventors: Siegbert Dipl Ing Martin; Erich Dr Ing Pivit; Traugott Hinderer
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: AFT Advanced Ferrite Technology GmbH
Priority date: 1990-10-19
Filing date: 1990-10-19
Publication date: 1992-04-23
Also published as: DE4033180C2

Abstract

A tunable coaxial cylindrical resonator with an inner conductor (1) and an outer conductor (2). Between the two conductors (1,2) are a plurality of carrier plates (7) axial to and surrounding the inner conductor (1). Yokes (10) concentrate a variable magnetic field, produced by a ring spool (6), on the layered plates (7) so that the spreading out of the field on the inner conductor (1) is reduced. USE/ADVANTAGE - Ensures good heat dispersion through the ferrite material. The magnetic field needed to magnetise the ferrite has very small effect on the resonator inner conductor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen koaxialen Hohlraumresonator, bei dem zur Abstimmung seiner Resonanzfrequenz zwischen seinem Außen- und seinem Innenleiter Ferritmaterial angeordnet ist, und eine ihn umgebende Ringspule mit einem Joch vorgesehen ist, um im Ferrit eine veränderbare Magnetisierung zu erzeugen.The present invention relates to a coaxial Cavity resonator in which to tune its Resonance frequency between its outside and its Inner conductor ferrite material is arranged, and one him surrounding ring coil is provided with a yoke to in Ferrite to produce a variable magnetization.

Ein derartiger abstimmbarer koaxialer Hohlraumresonator ist aus "European Particle Accelerator Conference", Rome, 7.-11. Juni 1988, Vol. 2, Seite 1321 bis 1323, bekannt. Bei diesem koaxialen Hohlraumresonator, der für den Einsatz in einem Teilchenbeschleuniger oder Synchrotron-Speicherring vorgesehen ist, sind radial um den Innenleiter herum mehrere aufeinander gestapelte Ferritringe angeordnet, wobei eine dem Außenleiter umgebende Ringspule das für die Frequenzabstimmung des Resonators erforderliche veränderliche Magnetfeld in den Ferritringen erzeugt. Durch die in den Ferritringen auftretende hohe Verlustleistung erwärmen sich diese sehr stark. Um die Wärme abzuführen, ist der gesamte Stapel der Ferritringe mit dem Außenleiter des koaxialen Hohlraumresonators kontaktiert. Außerdem sind zu diesem Zweck zwischen die einzelnen Ferritringe Keramikringe eingefügt. Diese Kühlmaßnahmen für die Ferritringe sind unzureichend, und es besteht die Gefahr, daß wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Ferritmaterials und der Keramikringe (sie bestehen aus BeO) die Ferritringe zerspringen. Such a tunable coaxial cavity resonator is from "European Particle Accelerator Conference", Rome, 7-11. June 1988, Vol. 2, pages 1321 to 1323. With this coaxial cavity resonator designed for use in one Particle accelerator or synchrotron storage ring there are several radially around the inner conductor stacked ferrite rings arranged, one of which Ring coil surrounding the for the Frequency tuning of the resonator required variable Magnetic field generated in the ferrite rings. By in the The high power loss that occurs in ferrite rings heats up this very strong. To dissipate the heat, the whole is Stack of ferrite rings with the outer conductor of the coaxial Cavity contacted. They are also for this purpose ceramic rings inserted between the individual ferrite rings. These cooling measures for the ferrite rings are inadequate and there is a risk that because of the different Thermal expansion of the ferrite material and the ceramic rings (they are made of BeO) the ferrite rings shatter.

Das bei dieser bekannten Anordnung für die Ferritringe erzeugte Magnetfeld ist auch in dem als Hohlleiter ausgeführten Innenleiter des koaxialen Hohlraumresonators existent, demzufolge es zu einer unerwünschten Defokussierung des sich im Innenleiter ausbreitenden Teilchenstrahls kommen kann.This with this known arrangement for the ferrite rings generated magnetic field is also in that as a waveguide executed inner conductor of the coaxial cavity resonator existing, consequently causing unwanted defocusing of the particle beam propagating in the inner conductor can.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen koaxialen Hohlraumresonator der eingangs genannten Art anzugeben, in dem für eine möglichst gute Ableitung der im Ferritmaterial entstehenden Wärme gesorgt ist, wobei das für die Magnetisierung des Ferritmaterials erforderliche Magnetfeld einen möglichst geringen Einfluß auf den Innenleiter des koaxialen Hohlraumresonators hat.The invention is therefore based on the object coaxial cavity resonator of the type mentioned state in which, in order to derive the Ferrite material heat is provided, which for the magnetization of the ferrite material required Magnetic field as little influence on the Has inner conductor of the coaxial cavity resonator.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.According to the invention, this object is achieved through the features of Claim 1 solved. Advantageous further developments of Invention emerge from the subclaims.

Dadurch, daß gemäß der Erfindung das Ferritmaterial auf Trägerplatten aufgebracht ist, wird für eine gute Wärmeableitung gesorgt, insbesondere, wenn man zusätzlich ein Kühlmittel durch die Trägerplatten strömen läßt; denn in die Trägerplatten lassen sich mit geringem technischem Aufwand Kühlkanäle einbringen.Characterized in that the ferrite material according to the invention Carrier boards is applied for good Heat dissipation is taken care of, especially if you have an additional one Lets coolant flow through the carrier plates; because in the Carrier plates can be manufactured with little technical effort Insert cooling channels.

Durch die Lage der ferritbeschichteten Trägerplatten axial zum Innenleiter ist es möglich, ein Magnetfeld zu erzeugen, das sich durch Joche allein auf die ferritbeschichteten Trägerplatten konzentrieren läßt, ohne daß es Einfluß auf den Innenleiter ausübt.Due to the position of the ferrite-coated carrier plates axially to the inner conductor it is possible to generate a magnetic field, that is due to yokes solely on the ferrite-coated Carrier plates can be concentrated without affecting the Inner conductor exercises.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert. Es zeigenUsing one shown in the drawing The invention will be described in more detail below explained. Show it

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen koaxialen Hohlraumresonator und Fig. 1 shows a longitudinal section through a coaxial cavity and

Fig. 2 einen Querschnitt A-A durch diesen koaxialen Hohlraumresonator. Fig. 2 shows a cross section AA through this coaxial cavity resonator.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen koaxialen Hohlraumresonator mit einem Innenleiter 1 und einem Außenleiter 2. Der Innenleiter 1 ist hier als Hohlleiter ausgeführt, der beispielsweise den Teilchenstrahl eines Teilchenbeschleunigers oder eines Synchrotron-Speicherrings führt. Über eine hier nicht näher beschriebene Koppeleinrichtung 3 wird in den koaxialen Hohlraumresonator Hochfrequenzenergie eingespeist, welche von dort über eine oder mehrere Öffnungen 4 in den Innenleiter 1 einkoppelt. Figs. 1 and 2 show a coaxial cavity resonator having an inner conductor and an outer conductor 1 2. The inner conductor 1 is designed here as a waveguide, which for example guides the particle beam from a particle accelerator or a synchrotron storage ring. High-frequency energy is fed into the coaxial cavity resonator via a coupling device 3 , which is not described in more detail here, and which couples from there via one or more openings 4 into the inner conductor 1 .

Der koaxiale Hohlraumresonator soll in seiner Resonanzfrequenz abstimmbar sein. Zu diesem Zweck ist in einem Bereich zwischen dem Innenleiter 1 und dem Außenleiter 2 des koaxialen Hohlraumresonators Ferritmaterial 5 eingebracht. Neben diesem das Ferritmaterial 5 aufnehmenden Bereich des Resonators ist eine dem Innenleiter 1 umgebende Ringspule 6 angeordnet, welche für das Ferritmaterial 5 ein veränderbares Magnetfeld erzeugt.In Abhängigkeit von diesem Magnetfeld ändert sich die Permeabilität des Ferritmaterials 5 und damit die Resonanzfrequenz im Hohlraumresonator.The resonance frequency of the coaxial cavity resonator should be tunable. For this purpose, ferrite material 5 is introduced in a region between the inner conductor 1 and the outer conductor 2 of the coaxial cavity resonator. In addition to this, the ferrite material 5-receiving region of the resonator is disposed an the inner conductor 1 surrounding annular coil 6, which for the ferrite material 5, a variable magnetic field erzeugt.In a function of this magnetic field changes the permeability of the ferrite material 5, and thus the resonance frequency in the cavity resonator.

Um die im Ferritmaterial 5 entstehende Wärme möglichst effektiv abzuleiten, ist es auf wärmeleitfähigen Trägerplatten 7 (Ober- und/oder Unterseite) aufgebracht, welche, wie der in Fig. 1 dargestellte Längsschnitt durch den koaxialen Hohlraumresonator zeigt, axial zum Innenleiter 1 ausgerichtet sind. Außerdem bilden, wie die Querschnittansicht A-A in Fig. 2 zeigt, mehrere ferritbelegte Trägerplatten 7 zusammen einen dem Innenleiter 1 umschließenden n-eckigen (n < 2) Rahmen. Je nachdem, welche Ferritmaterialdichte in dem Hohlraumresonator verlangt wird, werden mehrere Ebenen aus ferritbeschichteten Trägerplatten 7, d. h. mehrere koaxial zueinander angeordnete n-eckige Rahmen aus ferritbeschichteten Trägerplatten 7 in den Raum zwischen Innen- 1 und Außenleiter 2 untergebracht.In order to dissipate the heat generated in the ferrite material 5 as effectively as possible, it is applied to thermally conductive carrier plates 7 (top and / or bottom), which, as the longitudinal section through the coaxial cavity resonator shown in FIG. 1 shows, are aligned axially to the inner conductor 1 . In addition, as the cross-sectional view AA in FIG. 2 shows, several ferrite-coated carrier plates 7 together form an n-square (n <2) frame which surrounds the inner conductor 1 . Depending on what ferrite material density is required in the cavity resonator, several levels of ferrite-coated carrier plates 7 , ie a plurality of coaxially arranged n-square frames made of ferrite-coated carrier plates 7, are accommodated in the space between inner 1 and outer conductor 2 .

Es ist deshalb zweckmäßig, den Innenleiter 1 mit n-eckigen und nicht runden Rahmen zu umgehen, weil dann ebene Trägerplatten 7 verwendbar sind, auf denen ebene Ferritscheiben aufgebracht werden können, welche fertigungstechnisch einfacher herzustellen sind als z. B. gebogene Ferritscheiben.It is therefore expedient to bypass the inner conductor 1 with n-square and non-round frames, because then flat carrier plates 7 can be used, on which flat ferrite disks can be applied, which are easier to manufacture than z. B. curved ferrite discs.

Wie die Fig. 1 andeutet, durchziehen Kühlkanäle 8 die einzelnen Trägerplatten 7. Somit können die Trägerplatten 7 von einem Kühlmittel durchströmt werden, wodurch dem auf den Trägerplatten 7 aufgebrachten Ferritmaterial 5 sehr große Wärmemengen entzogen werden können.As indicated in FIG. 1, cooling channels 8 run through the individual carrier plates 7 . Thus, the support plates 7 can be flowed through by a coolant, whereby the pressure applied to the support plates 7 5 ferrite very large amounts of heat can be withdrawn.

Die ferritbeschichteten Trägerplatten 7 gehen von einer den Innenleiter 1 mit dem Außenleiter 2 verbindenden, radial zum Innenleiter 1 orientierten Kurzschlußwand 9 aus. Außerhalb des mit dieser Kurzschlußwand 9 abgeschlossenen Hohlraumresonatoren, seitlich neben den ferritbeschichteten Trägerplatten 7 ist die oben angesprochene Ringspule 6 installiert (s. Fig. 1). Sie erzeugt ein durch Pfeile in den Fig. 1 und 2 angedeutetes Magnetfeld, das radial zum Innenleiter 1 orientiert ist und somit die Ferritschichten 5 auf den Trägerplatten 7 senkrecht durchdringt. Das von der Ringspule 6 erzeugte Magnetfeld soll möglichst nur auf den mit Ferrit 5 gefüllten Bereich zwischen Innen- 1 und Außenleiter 2 des koaxialen Hohlraumresonators konzentriert sein und sich nicht noch in den Innenleiter 1 hinein ausweiten, wo es eine Defokussierung des sich darin ausbreitenden Teilschenstrahls bewirken kann. Zu diesem Zweck sind mehrere Joche 10 vorgesehen, im Ausführungsbeispiel für jeden der vier um den Innenleiter 1 herum verteilten Stapel von ferritbeschichteten Trägerplatten 7 ein Joch 10. Jedes Joch 10 umschließt die Ringspule 6 und greift mit seinen zwei Schenkeln 101 und 102, die axial zum Innenleiter 1 ausgerichtet sind, über den mit Ferrit 5 gefüllten Bereich des koaxialen Hohlraumresonators. Dabei greift der äußere Jochschenkel 101 über den Außenleiter 2 und der gegenüberliegende innere Jochschenkel 102 unter den Innenleiter 1. Die Anordnung des Jochschenkels 102 unter dem Innenleiter 1 wird dadurch ermöglicht, daß von dem eigentlichen, den Teilchenstrahl führenden Innenleiter 1 ein zu diesem im Abstand parallel verlaufender Leiter 11 abzweigt, der die gleiche elektrische Wirkung wie der Innenleiter 1 hat und an dessen Stelle über die Kurzschlußwand 9 mit dem Außenleitere 2 verbunden ist. Zwischen dem Innenleiter 1 und dem ihn ersetzenden Leiter 11 ist ein solcher Abstand gelassen, daß darin der innere Jochschenkel 102 eingreifen kann. Das von der Ringspule 6 ausgehende Magnetfeld wird zwischen den Jochschenkeln 101 und 102 auf den ferritbelasteten Bereich des Hohlraumresonators konzentriert, so daß sich das Magnetfeld nicht auch noch über den Innenleiter 1 erstreckt.The ferrite-coated carrier plates 7 start from a short-circuit wall 9 which connects the inner conductor 1 to the outer conductor 2 and is oriented radially to the inner conductor 1 . The above-mentioned ring coil 6 is installed outside of the cavity resonators closed off with this short-circuit wall 9 , to the side next to the ferrite-coated carrier plates 7 (see FIG. 1). It generates a magnetic field, indicated by arrows in FIGS. 1 and 2, which is oriented radially to the inner conductor 1 and thus penetrates the ferrite layers 5 on the carrier plates 7 perpendicularly. The magnetic field generated by the toroidal coil 6 should, if possible, only be concentrated on the area filled with ferrite 5 between the inner 1 and outer conductor 2 of the coaxial cavity resonator and not extend into the inner conductor 1 , where it causes a defocusing of the particle beam propagating therein can. For this purpose, several yokes 10 are provided, in the exemplary embodiment a yoke 10 for each of the four stacks of ferrite-coated carrier plates 7 distributed around the inner conductor 1 . Each yoke 10 surrounds the toroidal coil 6 and, with its two legs 101 and 102 , which are aligned axially with respect to the inner conductor 1 , reaches over the area of the coaxial cavity resonator filled with ferrite 5 . The outer yoke leg 101 engages over the outer conductor 2 and the opposite inner yoke leg 102 under the inner conductor 1 . The arrangement of the yoke leg 102 under the inner conductor 1 is made possible in that a branching off from the actual, the particle-carrying inner conductor 1 of this of parallel spaced conductors 11 which has the same electrical effect as the internal conductor 1 and in its place on the Short-circuit wall 9 is connected to the outer conductor 2 . A distance is left between the inner conductor 1 and the conductor 11 replacing it, such that the inner yoke leg 102 can engage therein. The magnetic field emanating from the toroidal coil 6 is concentrated between the yoke legs 101 and 102 on the ferrite-loaded area of the cavity resonator, so that the magnetic field does not also extend over the inner conductor 1 .

Sollte es erforderlich sein, das Ferritmaterial 5 neben dem veränderlichen Magnetfeld zusätzlich noch einem statischen Magnetfeld auszusetzen, um z. B. das Ferritmaterial oberhalb seiner gyromagnetischen Resonanz zu betreiben, so können an geeigneten Stellen Permanentmagnete 12 installiert werden. Als geeignete Stellen für die Unterbringung von Permanentmagneten 12 erweisen sich die den ferritbeschichteten Trägerplatten 7 zugewandten Innenseiten der Jochschenkel 101 und 102. Der Betrieb oberhalb der gyromagnetischen Resonanz ist deshalb vorzuziehen, weil hier die Verlustleistungen des Ferritmaterials am geringsten ist.Should it be necessary to additionally expose the ferrite material 5 to the static magnetic field in addition to the variable magnetic field in order to e.g. B. to operate the ferrite material above its gyromagnetic resonance, permanent magnets 12 can be installed at suitable locations. The inner sides of the yoke legs 101 and 102 , which face the ferrite-coated carrier plates 7, have proven to be suitable locations for accommodating permanent magnets 12 . Operation above the gyromagnetic resonance is preferable because the power dissipation of the ferrite material is lowest here.

Der zusätzliche Einsatz von Permanentmagneten zu den abstimmbaren Elektromagneten bringt den Vorteil, daß zur Abstimmung des koaxialen Hohlraumresonators geringere Ströme erforderlich sind, da Dank der Permanentmagneten nur ein Teil der erforderlichen Magnetisierung vom Elektromagneten aufgebracht werden muß. Vorteilhaft ist auch, daß bei einem eventuellen Ausfall des Steuerstroms für den Elektromagneten die Verlustleistung im Ferritmaterial nicht sehr stark ansteigt, weil die Permanentmagneten die Magnetisierung des Ferritmaterials immer oberhalb der gyromagnetischen Resonanz halten.The additional use of permanent magnets to the tunable electromagnet has the advantage that Coordination of the coaxial cavity resonator lower currents are necessary, because thanks to the permanent magnets only a part the required magnetization from the electromagnet must be applied. It is also advantageous that one possible failure of the control current for the electromagnet the power loss in the ferrite material is not very strong increases because the permanent magnet magnetizes the Ferrite material always above the gyromagnetic resonance hold.

Claims

1. Coaxial cavity resonator, in which ferrite material is arranged to tune its resonance frequency between its outer and inner conductors, and a ring coil surrounding it is provided with a yoke in order to produce a variable magnetization in the ferrite, characterized in that around the inner conductor ( 1 ) around several axially aligned to this, heat-conductive carrier plates ( 7 ) are arranged, on which the ferrite material ( 5 ) is applied, that the toroidal coil ( 6 ) is arranged laterally of the carrier plates ( 7 ), so that a magnetic field generated by it The area of the carrier plates ( 7 ) is oriented radially to the inner conductor ( 1 ), and that at least one yoke ( 10 ) with legs ( 101 , 102 ) oriented axially to the inner conductor ( 1 ) encompasses the region of the resonator which receives the ferrite ( 5 ). that the magnetic field remains concentrated on the carrier plates ( 7 ) covered with the ferrite ( 5 ).

2. Coaxial cavity resonator according to claim 1, characterized in that the carrier plates ( 7 ) are flat and several of them, forming an n-corner (n <2), enclose the inner conductor ( 1 ).

3. Coaxial cavity resonator according to claim 1 or 2, characterized in that in several planes one above the other support plates ( 7 ) surround the inner conductor ( 1 ).

4. Coaxial cavity resonator according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier plates ( 7 ) are provided with cooling channels ( 8 ).

5. Coaxial cavity, according to claim 1, characterized in that on the ferrite-coated carrier plates ( 7 ) facing the inside of the yoke legs ( 101 , 102 ) permanent magnets ( 12 ) are arranged, which generate a static magnetic field for the ferrite ( 5 ).