DE4142219A1 - Koppelvorrichtung mit variablem koppelfaktor zur ankopplung einer koaxialen speiseleitung an einen hohlraumresonator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Koppelvorrichtung mit variablem Koppelfaktor zur Ankopplung einer Speiseleitung an einen Hohlraumresonator, der eine Strahlachse hat, an den ein parallel zu der Strahlachse gerichtetes Strahlrohr ange­ schlossen ist und in dem ein resonantes elektromagnetisches Feld mit einer Resonanzwellenlänge aufbaubar ist, wobei die Koppelvorrichtung eine koaxiale Koppelleitung mit einer Koppelachse, einem parallel zur Koppelachse ausgerichteten Außenleiter und einem zugehörigen Innenleiter aufweist, wobei der Außenleiter in der Nähe des Hohlraumresonators an das Strahlrohr anschließbar ist und wobei der Innenleiter zumindest teilweise ein zum Strahlrohr zu richtender Koppelstab ist, der zur Variation des Koppelfaktors durch eine Verschiebeeinrichtung entlang der Koppelachse verschiebbar ist.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Koppelvorrich­ tungen zum Einsatz im Zusammenhang mit Hohlraumresonatoren, die Bestandteile von Beschleunigeranlagen für Strahlen von Ionen oder elektrisch geladenen Elementarteilchen sind. Die Erfindung betrifft auch Koppelvorrichtungen für supraleitfähige Hohlraumresonatoren.

Aus der DE-32 08 655 C2 geht eine Koppelvorrichtung der beschriebenen Art mit variablem Koppelfaktor für einen supraleitenden Hohlraumresonator hervor. Dieser Koppelvor­ richtung wird ein elektromagnetisches hochfrequentes Signal aus einem Generator durch einen Rechteckhohlleiter zugeführt und durch ein entsprechendes Übergangsstück in die koaxiale Koppelleitung eingespeist, in der zur Variation des Koppelfaktors ein teilweise den Innenleiter der Koppelleitung bildender Koppelstab verschiebbar ist. Besonderes Augenmerk wird gelegt auf eine für das hochfrequente elektromagnetische Signal als Kurzschluß wirkende Verbindung zwischen dem Koppelstab und einer Wand des Rechteckhohlleiters.

Die US-PS 3 713 035 betrifft eine Koppelvorrichtung mit variablem Koppelfaktor zur Speisung eines Hohlraumresonators, wobei die Variation des Koppelfaktors nicht durch Verschiebung eines Innenleiters einer koaxialen Koppelleitung bewerkstelligt wird, sondern durch die Versetzung von Löchern in einer Endplatte des Resonators, durch welche Löcher das hochfrequente elektromagnetische Feld in der Koppelvorrichtung mit dem hochfrequenten elektromagnetischen Feld in dem Hohlraumresonator kommuniziert. Weitere Hinweise betreffen das Vorsehen einer Kühlung in Bereichen der Koppelvorrichtung, die dem Hohlraumresonator zugewendet sind. Die Koppelvorrichtung bezieht sich insbesondere auf die Verwendung im Zusammenhang mit supraleitfähigen Resonatoren und ist selbst teilweise supraleitfähig; die Kühlung dient daher hauptsächlich zur Aufrechterhaltung der Supraleitfähigkeit.

Die US-PS 42 86 192 betrifft einen Linearbeschleuniger für Elektronen oder Ionen, in dem jeweils zwei Hohlraumresonatoren über einen weiteren Hohlraum aneinander gekoppelt sind. Zur Veränderung der Kopplung kann in diesen Hohlraum ein Stab eingeführt werden, der durch einen Doppel-Viertelwellentrans­ formator gegen eine Wand des Hohlraums kurzgeschlossen ist. Da sowohl die Hohlraumresonatoren als auch der weitere Hohlraum zu evakuieren sind, ist der Koppelstab durch die Wand des Hohlraums geführt und endet in einer Endplatte, die über einen Faltenbalg mit der Wand des Hohlraums verbunden ist. Auf diese Weise wird das Eindringen von Luft oder dergleichen in die Hohlraumresonatoren und den weiteren Hohlraum vermieden.

Hinweise zur Ausgestaltung von Koaxialleitungen zum Transport von Signalen in Form hochfrequenter elektromagnetischer Felder gehen hervor aus dem Buch "Microwave Transmission Design Data" von Th. Moreno, Verlag Mc Graw-Hill, 1948. In diesem Buch werden insbesondere Möglichkeiten vorgestellt, die Innenleiter von Koaxialleitungen in koaxialen T-Stücken abzustützen. Diese T-Stücke bestehen aus drei Armen in Form koaxialer Leitungsabschnitte, deren jeder eine Länge hat, die einem Viertel der Wellenlänge des zu übertragenden hochfrequenten elektromagnetischen Signals entspricht. Zwei parallel zueinander ausgerichtete Arme dienen der Durchleitung des Feldes, ein senkrecht zu diesen ausgerichteter dritter Arm ist an seinem den anderen Armen abgewandten Ende kurzgeschlossen. Dieser Kurzschluß ist eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen Innenleiter und Außenleiter und bewerkstelligt auch die gewünschte Abstützung. Ein solches koaxiales T-Stück gestattet je nach Ausgestaltung nur die Übertragung von elektromagnetischen Signalen mit Wellenlängen bzw. Frequenzen innerhalb einer bestimmten, eingeschränkten Bandbreite. Aus dem Buch gehen jedoch auch Ausführungsformen hervor, die sich durch besonders hohe Bandbreiten hinsichtlich der Frequenz bzw. Wellenlänge der übertragbaren elektromagnetischen Signale auszeichnen.

Wie bereits angedeutet, erfordern viele Anwendungen von Hohlraumresonatoren deren Evakuierung; dies gilt insbesondere für Hohlraumresonatoren in Beschleunigeranlagen sowie für übliche supraleitfähige Hohlraumresonatoren. Dementsprechend müssen solche Hohlraumresonatoren und die möglicherweise zu ihnen führenden Leitungen und Rohre entsprechende Vakuumbar­ rieren aufweisen. Aus einem Aufsatz von Y. Saito et al, Rev. Sci. Instrum. 60 (1989) 1736, geht eine Fensteranordnung mit einem keramischen Fenster für eine koaxiale Leitung hervor. Die Fensteranordnung ist hinsichtlich ihres Wellenwiderstandes an eine mit ihr zu verbindende Koaxialleitung oder dergleichen angepaßt.

In Koppelvorrichtungen der Art, auf die sich die Erfindung bezieht, muß zur Variation des Koppelfaktors ein Koppelstab linear bewegt werden. Zur Bewerkstelligung dieser Bewegung sind eine Vielzahl von Verschiebeeinrichtungen mit elektrischem, pneumatischem oder hydraulischem Antrieb, abgesehen von Verschiebeeinrichtungen, die "von Hand" zu bedienen sind, bekannt. Eine Übersicht über verwendbare elektrisch angetriebene Verschiebeeinrichtungen findet sich in einem Aufsatz von H. Timmel, e & i (1991) 438.

Die bisher bekannten gattungsgemäßen Koppelvorrichtungen mit variablem Koppelfaktor weisen alle stets nur eine relativ geringe Bandbreite im Hinblick auf Frequenz oder Wellenlänge der zu übertragenden elektromagnetischen Signale auf. Dies ist dann nicht unbedingt von Bedeutung, wenn eine solche Koppelvorrichtung speziell ausgelegt wird für einen bestimmten Hohlraumresonator mit festgelegter Frequenz. Auch erfordern diese Koppelvorrichtungen die Verwendung teurer, aufwendig zu handhabender und voluminöser Hohlleiter als Speiseleitungen, was zwar dann, wenn höchste Leistungen (mehrere hundert Kilowatt und darüber) zu übertragen sind, geboten sein mag, im Regelfall, insbesondere bei kleinen bis mittleren Leistungen unterhalb von 100 kW, aus Gründen der Belastung allerdings keineswegs notwendig ist. Im übrigen bringen Übergänge von Hohlleitern auf Koaxialleiter stets wesentliche Einschrän­ kungen der Bandbreite mit sich.

Dementsprechend soll mit vorliegender Erfindung eine Koppelvorrichtung mit variablem Koppelfaktor angegeben werden, die möglichst universell einsetzbar ist, die sich durch eine möglichst hohe Bandbreite auszeichnet und damit qualifiziert ist sowohl zur Verwendung in relativ breitbandigen Systemen als auch zur serienweisen Fertigung, wobei keine speziellen Anforderungen des jeweiligen Einsatzfalls besonders berücksichtigt werden müssen, und die die Verwendung von Hohlleitern entbehrlich macht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Koppelvorrichtung mit variablem Koppelfaktor angegeben zur Ankopplung einer koaxialen Speiseleitung mit einem zugehörigen Wellenwiderstand an einen Hohlraumresonator, der eine Strahlachse hat, an den ein parallel zu der Strahlachse gerichtetes Strahlrohr ange­ schlossen ist und in dem ein resonantes elektromagnetisches Feld mit einer Resonanzwellenlänge aufbaubar ist, wobei die Koppelvorrichtung folgende Bestandteile aufweist:

• a) eine koaxiale Koppelleitung mit einem zugehörigen Wellenwiderstand und einem zugehörigen Außenleiter und einem zugehörigen Innenleiter, welche Koppelleitung etwa parallel zu einer Koppelachse gerichtet ist, die mit der Strahlachse einen Winkel bildet, wobei der Außenleiter in der Nähe des Hohlraumresonators an das Strahlrohr anschließbar ist, und wobei der Innenleiter zumindest teilweise ein zum Strahlrohr zu richtender Koppelstab ist, der zur Variation des Koppelfaktors mittels einer Verschiebeeinrichtung entlang der Koppelachse verschiebbar ist;
• b) ein breitbandiges T-Stück mit drei koaxialen Armen, deren jeder einen zugehörigen Außenleiter, einen zugehörigen Innenleiter und eine zugehörige Länge hat, die etwa einem jeweiligen ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Resonanzwellenlänge entspricht; wobei
• c) an einen ersten Arm die Koppelleitung angeschlossen ist, so daß der erste Arm etwa parallel zur Koppelachse ausgerichtet ist, und der Innenleiter des ersten Arms eine Hülse aufweist, in der der Koppelstab gelagert ist und aus der er an einer Mündung, an der der Koppelstab mit der Hülse kurzgeschlossen ist, herausragt;
• d) an einen zweiten Arm die Speiseleitung angeschlossen ist, wobei der zweite Arm und die Speiseleitung etwa parallel zueinander gerichtet sind;
• e) ein dritter Arm abseits der anderen Arme einen den zugehörigen Außenleiter mit dem zugehörigen Innenleiter kurzschließenden Verschluß aufweist.

Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Koppelvor­ richtung ist die Auslegung zum Anschluß an eine koaxiale Speiseleitung anstelle einer Speiseleitung in Form eines Hohlleiters. Auf diese Weise wird das Problem der Schmalbandigkeit eines Übergangsstückes zwischen Hohlleiter und Koaxialleiter von vorneherein vermieden. Anstelle eines Hohlleiters kann als Speiseleitung eine koaxiale Speiseleitung Verwendung finden, wie sie insbesondere für allgemeine Anwendungen in dem für die erfindungsgemäße Koppelvorrichtung besonders interessierenden Frequenzbereich zwischen etwa 100 MHz und 10 GHz, insbesondere zwischen etwa 300 MHz und etwa 500 MHz, an sich bekannt ist. Insbesondere kann als Speiseleitung eine handelsübliche Koaxialleitung mit einem Wellenwiderstand von etwa 50 Ohm verwendet werden.

Besonders bevorzugt zum Einsatz dieser Koppelvorrichtung ist der Frequenzbereich zwischen 100 MHz und 1 GHz, wobei weiterhin günstigerweise die Länge der Speiseleitung auf die Größenordnung von 10 m beschränkt bleibt. Die Leistung der mit der Koppelvorrichtung zu übertragenden elektromagnetischen Signale ist vorteilhafterweise beschränkt unter etwa 80 kW.

Das erforderliche breitbandige T-Stück mit drei koaxialen Armen kann nach den Hinweisen aus dem oben zitierten Buch von Moreno ausgelegt werden. Wichtig ist, daß ein breitbandiges koaxiales T-Stück auf drei Frequenzen eine Anpassung zweier Koaxialleiter aneinander zu gewährleisten vermag, wobei diese Frequenzen so wählbar sind, daß zwischen zweien solcher Frequenzen der die mangelnde Anpassung beschreibende Reflexionsfaktor auf eine vertretbar geringe Größe, insbesondere 1% und darunter, beschränkt bleibt.

Zu den Längenangaben für die Arme des T-Stücks sowie auch für die Auslegung der Koppelvorrichtung im allgemeinen, sei darauf hingewiesen, daß möglicherweise erforderliche Verbindungen von Außenleitern und/oder Innenleitern mit voneinander abweichenden Durchmessern Verzerrungen der elektromagnetischen Felder mit sich bringen, denen durch geeignete, in der Regel nur auf der Grundlage von vorher gemachten Erfahrungen bestimmbare Dimensionsänderungen oder dergleichen begegnet werden muß; wenn solche Maßnahmen im folgenden nicht im einzelnen erläutert werden, so deshalb, weil ihre Anwendung dem einschlägig tätigen Fachmann geläufig ist - dies insbesondere deshalb, weil sich die Berechnung der Felder an Unstetigkeiten in koaxialen Leitungsanordnungen in aller Regel der exakten theoretischen Berechnung entzieht.

Der Koppelstab in der Koppelvorrichtung ist in der Hülse, die zumindest teilweise den Innenleiter der Koppelleitung bildet, verschiebbar, muß jedoch mit der Hülse über einen für die zu übertragenden elektromagnetischen Signale wirksamen Kurzschluß verbunden sein. Ein solcher Kurzschluß ist günstigerweise gebildet durch zumindest einen Schleifkontakt zwischen dem Koppelstab und der Hülse. Um die Belastung eines solchen Schleifkontaktes mit hochfrequenten elektrischen Strömen gering zu halten, ist einem solchen Schleifkontakt vorteilhafterweise ein auf die Resonanzwellenlänge abgestimmter Doppel-Viertelwellentransformator vorgeschaltet. Ein solcher Doppel-Viertelwellentransformator ist zwar seinerseits ein frequenzselektives Element, jedoch ist die Bandbreite eines Doppel-Viertelwellentransformators für die Zwecke der Erfindung in aller Regel ausreichend hoch und schränkt die Anwendbarkeit einer damit ertüchtigten Koppelvorrichtung nicht wesentlich ein.

Zwischen die Speiseleitung und das T-Stück der Koppelvorrich­ tung kann gegebenenfalls ein vakuumdichtes Fenster eingefügt werden, das vorteilhafterweise Teil einer an die Speiseleitung angepaßten Fensteranordnung ist. Diese Fensteranordnung ist vorteilhafterweise in koaxialer Bauart wie die Speiseleitung ausgeführt und weist einen Innenleiter sowie einen Außenleiter auf, wobei zu beiden Seiten des Fensters sowohl in dem Innenleiter als auch in dem Außenleiter eine induktiv wirksame Leitungsanordnung vorgesehen ist. Das Fenster besteht vorteilhafterweise aus einem keramischen Werkstoff; es stellt in der koaxialen Fensteranordnung eine Kapazität dar, der, beispielsweise durch das erwähnte Vorsehen induktiver Leitungsanordnungen, Induktivitäten vor- und nachgeschaltet sind, um so eine für eine Anpassung an die Speiseleitung und das T-Stück geeignete Anordnung nach Art eines Tiefpasses dritter Ordnung zu schaffen.

Im Rahmen einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Koppelvorrichtung jedweder Ausgestaltung hat die Koppelleitung einen Wellenwiderstand, der etwa gleich dem Wellenwiderstand der Speiseleitung ist. In diesem Fall ist eine Anpassung der Koppelleitung an die Speiseleitung über das T-Stück in besonders einfacher Weise, wie unten auch näher erläutert wird, möglich.

Günstigerweise sind zusätzlich für diese Anpassung der Koppelleitung an die Speiseleitung alle Arme des T-Stücks mit im wesentlichen demselben Wellenwiderstand ausgeführt; damit ist insbesondere eine beträchtliche Vereinfachung des Aufbaus der Koppelvorrichtung verbunden, was für eine Serienfertigung besonders vorteilhaft ist. Dies insbesondere deshalb, weil die bisher bekannten, aus Leitungsabschnitten mit verschiedenen Wellenwiderständen zusammengesetzten Strukturen nicht mehr notwendig sind.

Besonders günstig ist es, wenn die Wellenwiderstände der die Arme des T-Stückes bildenden Leitungsabschnitte höchstens etwa 82% des Wellenwiderstandes der Speiseleitung (und der Koppelleitung) betragen. Überraschenderweise wurde gefunden, daß diese Wahl im Rahmen der vorstehend beschriebenen besonderen Ausführungsform zu einer besonderen Breitbandigkeit des T-Stückes führen kann. Zwar war es bisher schon bekannt, ein koaxiales T-Stück mit Armen auszuführen, deren Wellenwiderstände im wesentlichen gleich dem Wellenwiderstand einer Koaxialleitung sind, in die das T-Stück einzufügen ist; ein solches T-Stück ist allerdings relativ schmalbandig. Werden die Wellenwiderstände der Arme des T-Stücks auf einen Wert von höchstens 82% des Wellenwiderstandes der Koaxialleitungsanordnung, in die das T-Stück einzufügen ist, bemessen, so tritt Anpassung tatsächlich für drei Frequenzen bzw. Wellenlängen auf, wobei die mittlere Wellenlänge diejenige ist, auf die die geometrischen Abmessungen des T-Stückes abgestimmt sind, und wobei die beiden anderen Wellenlängen abhängig von den Verhältnissen der Wellenwider­ stände der Arme und der übrigen Leitungsanordnung zueinander bestimmt sind, wobei die korrespondierenden Frequenzen symmetrisch bezüglich der mittleren Frequenz liegen.

Zwischen den drei Wellenlängen, bei denen Anpassung auftritt, tritt an dem T-Stück eine gewisse Fehlanpassung auf; diese Fehlanpassung bleibt dann besonders gering, wenn die Wellenwiderstände der Arme des T-Stücks zumindest 75% des Wellenwiderstandes der Speiseleitung betragen. In diesem Falle ist die Bandbreite des T-Stücks auf eine bestimmte Maximalgröße beschränkt; wenn die Wellenwiderstände der Arme 75% des Wellenwiderstandes der Speiseleitung betragen, entspricht die höchste Frequenz, bei der Anpassung auftritt, etwa dem 1,3fachen der mittleren Frequenz, und die niedrigste Frequenz etwa dem 0,7fachen der mittleren Frequenz.

Im Rahmen einer besonders vorteilhaften Weiterbildung betragen die Wellenwiderstände der Arme zwischen 78% und 80% des Wellenwiderstandes der Speiseleitung; in diesem Fall liegt die höchste Frequenz, bei der Anpassung auftritt, etwa bei dem 1,25fachen der mittleren Frequenz, und die niedrigste Frequenz, bei der Anpassung auftritt, bei dem 0,75fachen der mittleren Frequenz. Im Rahmen dieser Weiterbildung beträgt der Reflexionsfaktor des koaxialen T-Stücks, der den Grad der Fehlanpassung beschreibt, zwischen der höchsten und der niedrigsten Frequenz, bei der jeweils Anpassung auftritt, stets unter 1%.

Damit liegt über die gesamte Bandbreite zwischen höchster und niedrigster Frequenz eine im wesentlichen vollkommene Anpassung vor, woraus die enorme Bandbreite des koaxialen T-Stücks, und der mit diesem T-Stück aufgebauten Koppelvor­ richtung, ersichtlich ist.

Es sei darauf hingewiesen, daß die angegebenen Zahlenwerte aus einer einfachen Theorie der Leitungen für elektromagnetische Felder erhalten wurden und eventuell aufgrund von Feldverzerrungen, die insoweit keine Berücksichtigung gefunden haben, leicht modifiziert werden müssen. Ausführungen hierzu sind z. B. dem oben zitierten Buch von Moreno entnehmbar.

Die erfindungsgemäße Koppelvorrichtung jedweder Ausgestaltung erfordert zur Variation des Koppelfaktors das Verschieben des Koppelstabes, der zumindest teilweise den Innenleiter der koaxialen Koppelleitung bildet. Hierfür ist es besonders vorteilhaft, den dritten Arm des T-Stücks etwa parallel zur Koppelachse (und damit zum ersten Arm) auszurichten, für den ersten Arm und den dritten Arm als Innenleiter die Hülse, in der der Koppelstab gelagert ist, vorzusehen sowie den Koppelstab hinter dem dritten Arm aus dem T-Stück herauszuführen und dort an die Verschiebeeinrichtung anzuschließen. So ist die Verschiebeeinrichtung, die in vielen Fällen ein Elektromotor ist und größere Mengen an elektrisch leitfähigen Materialien enthält, außerhalb der mit hochfrequenten elektromagnetischen Feldern beaufschlagten Bereichen der Koppelvorrichtung angeordnet und unterliegt so keiner besonderen Gefahr der Störung durch elektromagnetische Streufelder. Gegebenenfalls kann die Verschiebeeinrichtung auch in einfacher Weise zusätzlich abgeschirmt werden. Vorzugsweise sind der Außenleiter des dritten Arms und der Außenleiter des ersten Arms einstückig ausgeführt.

Vorteilhafterweise ist der aus dem dritten Arm des T-Stücks herausgeführte Koppelstab an einer Endplatte befestigt, von wo ein Faltenbalg zum Außenleiter des dritten Arms führt; auf diese Weise entsteht hinter dem dritten Arm ein abgeschlossener und evakuierbarer Raum, in dem der Koppelstab endet. In allen Fällen, in denen eine Evakuierung der Koppelvorrichtung erforderlich ist, ist dies nützlich, da gleitfähige Vakuumdichtungen und dergleichen entfallen. Die Verschiebeeinrichtung wird vorteilhafterweise außerhalb der eigentlichen Koppelvorrichtung an die Endplatte angeschlossen und beispielsweise gegen den Außenleiter des dritten Arms abgestützt.

Im Rahmen einer anderen Weiterbildung der Koppelvorrichtung, die gegebenenfalls zu verschiedenen der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen hinzutreten kann, ist die Verschiebeeinrichtung in der Hülse angeordnet, und Anschluß­ leitungen für die Verschiebeeinrichtung, beispielsweise elektrische Kabel, sind durch den Innenleiter des dritten Arms aus dem T-Stück herausgeführt. Auch das Innere der Hülse ist ein weitgehend feldfreier Raum, zumal dann, wenn zwischen der Hülse und dem Koppelstab ein hinreichend guter Kurzschluß gebildet ist. Eine kleine Verschiebeeinrichtung, beispielsweise ein elektrischer Linearmotor kann also auch in einfacher und platzsparender Weise im Inneren der Koppelvorrichtung eingebaut werden.

Die vorstehend beschriebene Weiterbildung ermöglicht es auch, daß nicht der dritte Arm, sondern der zweite Arm etwa parallel zur Koppelachse ausgerichtet ist; auf diese Weise liegen die Koppelleitung und die Speiseleitung weitgehend in einer Linie, und es ist keine Leitung der elektromagnetischen Energie "um die Ecke herum" erforderlich. Auf diese Weise werden größere Feldverzerrungen vermieden, was insbesondere im Hinblick auf eine Serienfertigung der einfachen Dimensionierung der Koppelvorrichtung entgegenkommt. Günstigerweise sind die Außenleiter sowie die Innenleiter des ersten bzw. zweiten Arms im Rahmen der beschriebenen Weiterbildung einstückig ausgeführt.

Im Rahmen einer zusätzlichen Ausgestaltung sind in der Koppelvorrichtung Mittel zur Kühlung des Koppelstabes, gegebenenfalls zusätzlich zu Mitteln zur Kühlung des Außenleiters der Koppelleitung und/oder anderer Bestandteile, vorgesehen. Insbesondere weist der Koppelstab zumindest einen Kühlkanal auf, durch den ein Kühlfluid, beispielsweise Wasser oder flüssiger Stickstoff, führbar ist. Ein solcher Kühlkanal ist vorteilhafterweise angeschlossen an Kühlleitungen, die durch den Innenleiter des dritten Arms aus dem T-Stück herausgeführt sind.

Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele; zum Zwecke der Herausstellung der spezifischen Merkmale der Erfindung ist die Zeichnung teilweise schematisiert und/oder leicht verzerrt ausgeführt. In den Figuren der Zeichnung sind Teile mit gleicher Funktion jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 und Fig. 2 zwei Ausführungsbeispiele erfindungs­ gemäßer Koppelvorrichtungen;

Fig. 3 eine koaxiale Fensteranordnung zur Verwendung im Rahmen einer Koppelvorrichtung.

Zur Erläuterung von Merkmalen, die den Koppelvorrichtungen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 gemeinsam sind, wird zunächst auf Fig. 1 und Fig. 2 gemeinsam Bezug genommen. Die erfindungs­ gemäße Koppelvorrichtung dient der Ankopplung einer koaxialen Speiseleitung 1 an einen Hohlraumresonator 2, der eine Strahlachse 3 hat, entlang derer an den Hohlraumresonator 2 Strahlrohre 4 angeschlossen sind. Durch die Strahlrohre 4 und den Hohlraumresonator 2 kann entlang der Strahlachse 3 ein Strahl von Ionen oder elektrisch geladenen Elementarteilchen geleitet werden; ein in dem Hohlraumresonator 2 aufgebautes elektromagnetisches Feld vermag die Ionen oder Elementarteil­ chen zu beschleunigen. In der Nähe des Hohlraumresonators 2 mündet in ein Strahlrohr 4 eine koaxiale Koppelleitung 5 mit einem Innenleiter 7 und einem Außenleiter 6, wobei der Innen­ leiter 7 zum Teil von einem durch eine Verschiebeeinrichtung 10 entlang einer Koppelachse 8 (der Symmetrieachse der Koppelleitung 5) verschiebbar ist. An einer Mündung 22 ragt der Koppelstab 9 aus einer Hülse 21 heraus; an dieser Mündung 22 muß zwischen der Hülse 21 und dem Koppelstab 9 ein für ein durch die Koppelvorrichtung zu führendes hochfrequentes elektromagnetisches Signal wirksamer Kurzschluß vorliegen. Da der Innenleiter 7 der Koppelleitung 5 einen variierenden Durchmesser aufweist, muß zur Gewährleistung eines über die Länge der Koppelleitung 5 konstanten Wellenwiderstandes auch der Außenleiter 6 einen variierenden Durchmesser aufweisen. Problematisch hierbei ist, daß an Unstetigkeitsstellen in einer Koaxialleitung stets Verzerrungen des in der Leitung herrschenden elektromagnetischen Feldes auftreten; ein Einfluß solcher Verzerrungen auf den Wellenwiderstand muß durch geeignete konstruktive Maßnahmen ausgeschlossen werden. Theoretisch sind solche Feldverzerrungen nur sehr schwer faßbar, so daß die Auslegung von Koaxialleitern, deren Innenleiter und Außenleiter im Durchmesser variieren, in der Regel auf der Basis von vorher gemachten Erfahrungen erfolgt. Zwischen der Koppelleitung 5 und der Speiseleitung 1 ist ein koaxiales T-Stück 11 eingefügt; dieses koaxiale T-Stück weist drei koaxiale Arme 12, 13 und 14 auf, deren jeder einen zugehörigen Außenleiter 15, 16 bzw. 17, einen zugehörigen Innenleiter 18, 19 bzw. 20 und eine zugehörige Länge hat, die etwa einem jeweiligen ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Resonanzwellenlänge des in dem Hohlraumresonator 2 aufzubauenden elektromagnetischen Feldes entspricht. Die drei Arme 12, 13 und 14 haben im dargestellten Fall übereinstimmende Wellenwiderstände, die geringer sind als die ebenfalls miteinander übereinstimmenden Wellenwiderstände von Speiseleitung 1 und Koppelleitung 5. Durch geeignete Wahl des Verhältnisses der Wellenwiderstände kann erreicht werden, daß das koaxiale T-Stück 11 über einen relativ breiten Frequenz- bzw. Wellenlängenbereich eine im wesentlichen reflexionsfreie Anpassung der Speiseleitung 1 an die Koppelleitung 5 erlaubt. Einzelheiten zur Wahl des Verhältnisses der Wellenwiderstände sind bereits erläutert worden. An einen ersten Arm 12 des T-Stücks 11 ist die Koppelleitung 5 angeschlossen; die Speiseleitung 1 ist verbunden mit einem zweiten Arm 13, und der dritte Arm 14 ist abseits des ersten Arms 12 und des zweiten Arms 13 mit einem Verschluß 23 verschlossen. Dieser Verschluß 23 bildet einen Kurzschluß zwischen dem Außenleiter 17 und dem Innenleiter 20 des dritten Arms 14. Die Längen der Arme 12, 13 und 14 können jeweils einem beliebigen ungerad­ zahligen Vielfachen eines Viertels der Resonanzwellenlänge entsprechen; vorteilhafterweise, nämlich zur Erzielung einer möglichst kompakten und raumsparenden Koppelvorrichtung, wird jede Länge auf ein Viertel der Resonanzwellenlänge bemessen.

Nunmehr werden die spezifischen Merkmale der Ausführungsform nach Fig. 1 näher erläutert. In Fig. 1 sind der erste Arm 12 und der dritte Arm 14 parallel zueinander und koaxial bezüglich der Koppelachse 8 ausgerichtet; die Innenleiter 18 und 20 der Arme 12 und 14 sind gegeben durch die Hülse 21, die sich von der Koppelleitung 5 bis zum Verschluß 23 erstreckt. An dem Verschluß 23 ist der Koppelstab 9 aus der Hülse 21 herausgeführt; er endet an einer Endplatte 31, die über einen Faltenbalg 32 mit dem Außenleiter 17 des dritten Arms 14 verbunden ist. So entsteht zwischen der Endplatte 31 und dem Verschluß 23 ein weitgehend abgeschlossener, evakuierbarer Raum, der eine Evakuierung der gesamten Koppelvorrichtung ermöglicht und dabei ansonsten notwendige gleitfähige Vakuumdichtungen zwischen Koppelstab 9 und Hülse 21 oder Verschluß 23 entbehrlich macht. Zur Verschiebung des Koppelstabes 9 stützt sich die Verschiebeeinrichtung 10 gegen den Außenleiter 17 des dritten Armes 14 ab. Wie bereits erwähnt, muß an der Mündung 22 zwischen Hülse 21 und Koppel­ stab 9 ein Kurzschluß gebildet sein; dieser Kurzschluß ist in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 realisiert mit Schleifkontakten 24 zwischen der Hülse 21 und dem Koppelstab 9, denen ein in der Hülse 21 gebildeter Doppel-Viertelwellentransformator 25 vorgeschaltet ist. Dieser Doppel-Viertelwellentransformator 25 besteht aus zwei verbundenen koaxialen Hohlräumen, deren jeder eine Länge hat, die einem Viertel oder einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Resonanzwellenlänge entspricht. Mit Hilfe eines solchen Doppel-Viertelwellentransformators 25 kann die Strombelastung der Schleifkontakte 24 gering gehalten werden, was für ausgesprochene Hochleistungsanwendungen der Koppelvorrichtung von Vorteil ist. In der Ausführungsform nach Fig. 1 ist der zweite Arm 13 des T-Stücks 11 winklig, und zwar senkrecht, zu den beiden anderen Armen 12 und 14 gerichtet. Elektromagnetische Energie muß also zwischen der Speiseleitung 1 und der Koppelleitung 5 "um die Ecke herum" geführt werden, was zu gewissen Verzerrungen des Feldes führt und möglicherweise geringe Modifikationen der Längen der drei Arme 12, 13 und 14 erfordert. Diese Problematik ist allerdings, wie bereits näher erläutert, mit an sich bekannten Maßnahmen problemlos bewältigbar.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind der erste Arm 12 und der zweite Arm 13 parallel zueinander ausgerichtet, und der den Verschluß 23 aufweisende dritte Arm 14 senkrecht dazu. Die Verschiebeeinrichtung 10 ist in der Hülse 21 angeordnet, und zwar in dem Teil der Hülse 21, der den Innenleiter 19 des zweiten Armes 13 bildet. Die Hülse 21 ist geradlinig fortgesetzt in die Speiseleitung 1 hinein und bildet auch deren Innenleiter. Anschlußleitungen 33 für die Verschiebe­ einrichtung 10, beispielsweise Kabel zur Speisung eines elektrischen Linearmotors, sind durch den Innenleiter 20 und die Hülse 21 hindurch geführt. Weiterhin ist der Koppelstab 9 kühlbar, indem durch einen Kühlkanal 34 in der Nähe des Strahlrohres 4 ein Kühlfluid, beispielsweise Wasser oder flüssiger Stickstoff je nach Anwendung, geleitet wird. Zur Zu- bzw. Abführung des Kühlfluids sind Kühlleitungen 35 vorgesehen, die gleichfalls durch den Verschluß 23, den Innenleiter 20 des dritten Arms 14 und die Hülse 21 dem Koppelstab 9 zugeführt werden.

Fig. 3 zeigt eine Fensteranordnung 26, mit der eine Koppelvorrichtung nach Art der in Fig. 1 oder 2 dargestellten Koppelvorrichtungen ertüchtigt werden kann, wenn beispiels­ weise nicht zusätzlich zu der Koppelvorrichtung die gesamte Speiseleitung evakuiert werden soll. Die Fensteranordnung 26 ist bezüglich einer Achse 36 koaxial mit einem Innenleiter 28 und einem Außenleiter 29, zwischen denen ein kreisring­ förmiges, keramisches Fenster 27 eingefügt ist. Ein solches Fenster 27 führt zu einer lokalen Erhöhung der Kapazität zwischen Innenleiter 28 und Außenleiter 29 und verändert damit lokal den Wellenwiderstand; dies ist kompensiert, indem in dem Innenleiter 28 und dem Außenleiter 29 beiderseits des Fensters 27 induktiv wirksame Leitungsanordnungen 30, die Einfräsungen in Innenleiter 28 bzw. Außenleiter 29 sein können, vorgesehen sind. Eine solche Anordnung aus induktiven Leitungsanordnungen 30 und Fenster 27 stellt einen Tiefpaß dritter Ordnung dar, der im Bereich einer bestimmten Wellenlänge einen Wellenwider­ stand hat, der mit dem Wellenwiderstand der übrigen koaxialen Anordnung übereinstimmt. Eine solche Fensteranordnung 26 kann eingefügt werden in die Speiseleitung 1 oder auch an die Stelle, wo die Speiseleitung 1 in den ersten Arm 13 der Koppelvorrichtung eintritt.

Die erfindungsgemäße Koppelvorrichtung zur Ankopplung einer koaxialen Speiseleitung an einen Hohlraumresonator zeichnet sich aus durch eine hohe Bandbreite und macht die Verwendung von Hohlleitern als Speiseleitung überflüssig. Die Koppelvorrichtung ist qualifiziert zur Verwendung in relativ breitbandigen Systemen und eignet sich auch zur serienweisen Fertigung, wobei sie im Regelfall speziellen Anforderungen des jeweiligen Einsatz falls nicht mehr besonders angepaßt werden muß.

Claims (18)

1. Koppelvorrichtung mit variablem Koppelfaktor zur Ankopplung einer koaxialen Speiseleitung (1) mit einem zugehörigen Wellenwiderstand an einen Hohlraumresonator (2), der eine Strahlachse (3) hat, an den ein etwa parallel zu der Strahlachse (3) gerichtetes Strahlrohr (4) angeschlossen ist und in dem ein resonantes elektromagnetisches Feld mit einer Resonanzwellenlänge aufbaubar ist, welche Koppelvorrichtung folgende Bestandteile aufweist:

• a) eine koaxiale Koppelleitung (5) mit einem zugehörigen Wellenwiderstand und einem zugehörigen Außenleiter (6) und einem zugehörigen Innenleiter (7), welche Koppelleitung (5) etwa parallel zu einer Koppelachse (8) gerichtet ist, die mit der Strahlachse (3) einen Winkel bildet, wobei der Außenleiter (6) in der Nähe des Hohlraumresonators (2) an das Strahlrohr (4) anschließbar ist und wobei der Innenleiter (7) zumindest teilweise ein zum Strahlrohr (4) zu richtender Koppelstab (9) ist, der zur Variation des Koppelfaktors mittels einer Verschiebeeinrichtung (10) entlang der Koppelachse (8) verschiebbar ist;
• b) ein breitbandiges T-Stück (11) mit drei koaxialen Armen (12, 13, 14), deren jeder einen zugehörigen Außenleiter (15, 16, 17), einen zugehörigen Innenleiter (18, 19, 20) und eine zugehörige Länge hat, die etwa einem jeweiligen ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Resonanzwellenlänge entspricht; wobei
• c) an einen ersten Arm (12) die Koppelleitung (5) angeschlossen ist, so daß der erste Arm (12) etwa parallel zur Koppelachse (8) ausgerichtet ist, und der Innenleiter (18) des ersten Arms (12) eine Hülse (21) aufweist, in der der Koppelstab (9) gelagert ist und aus der er an einer Mündung (22), an der der Koppelstab (9) mit der Hülse (21) kurzgeschlossen ist, herausragt;
• d) an einen zweiten Arm (13) die Speiseleitung (1) angeschlossen ist, wobei der zweite Arm (13) und die Speiseleitung (1) etwa parallel zueinander gerichtet sind;
• e) ein dritter Arm (14) abseits der anderen Arme (12, 13) einen den zugehörigen Außenleiter (17) mit dem zugehörigen Innenleiter (20) kurzschließenden Verschluß (23) aufweist.

2. Koppelvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Koppelstab (9) mit der Hülse (21) über zumindest einen Schleifkontakt (24) kurzgeschlossen ist.

3. Koppelvorrichtung nach Anspruch 2, bei der dem Schleif­ kontakt (24) ein auf die Resonanzwellenlänge abgestimmter Doppel-Viertelwellentransformator (25) vorgeschaltet ist.

4. Koppelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwischen die Speiseleitung (1) und das T-Stück (11) eine an die Speiseleitung angepaßte Fensteranordnung (26) mit einem vakuumdichten Fenster (27) eingefügt ist.

5. Koppelvorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Fenster­ anordnung (26) koaxial ist mit einem Innenleiter (28) und einem Außenleiter (29), wobei zu beiden Seiten des Fensters (27) jeweils eine induktive Leitungsanordnung (30) in dem Innenleiter (28) und dem Außenleiter (29) liegt.

6. Koppelvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der das Fenster (27) aus Keramik besteht.

7. Koppelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Koppelleitung (5) einen Wellenwiderstand hat, der etwa gleich dem Wellenwiderstand der Speiseleitung (1) ist.

8. Koppelvorrichtung nach Anspruch 7, bei der alle Arme (12, 13, 14) des T-Stücks (11) im wesentlichen denselben Wellenwiderstand haben.

9. Koppelvorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Wellenwiderstände der Arme (12, 13, 14) höchstens 82% des Wellenwiderstandes der Speiseleitung (1) betragen.

10. Koppelvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der die Wellenwiderstände der Arme (12, 13, 14) zumindest 75% des Wellenwiderstandes der Speiseleitung (1) betragen.

11. Koppelvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die Wellenwiderstände der Arme (12, 13, 14) zwischen 78% und 80% des Wellenwiderstandes der Speiseleitung (1) betragen.

12. Koppelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der

• a) der dritte Arm (14) etwa parallel zur Koppelachse (8) ausgerichtet ist, wobei vorzugsweise der Außenleiter (17) des dritten Arms (14) und der Außenleiter (15) des ersten Arms (12) einstückig sind;
• b) für den ersten Arm (12) und den dritten Arm (14) der Innenleiter (18, 20) jeweils die Hülse (21) ist;
• c) der Koppelstab (9) hinter dem dritten Arm (14) aus dem T-Stück (11) herausragt und dort an die Verschiebeeinrichtung (10) angeschlossen ist.

13. Koppelvorrichtung nach Anspruch 12, bei der

• a) der Koppelstab (9) an einer Endplatte (31) befestigt ist, die über einen Faltenbalg (32) mit dem Außenleiter (17) des dritten Arms (14) verbunden ist;
• b) die Verschiebeeinrichtung (10) an die Endplatte (32) angeschlossen ist.

14. Koppelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Verschiebeeinrichtung (10) in der Hülse (21) liegt und Anschlußleitungen (33) für die Verschiebeeinrichtung (10) durch den Innenleiter (20) des dritten Arms (14) aus dem T-Stück (11) herausgeführt sind.

15. Koppelvorrichtung nach Anspruch 14, bei der

• a) der zweite Arm (13) etwa parallel zur Koppelachse ausgerichtet ist;
• b) die Außenleiter (15, 16) sowie die Innenleiter (18, 19) des ersten (12) bzw. zweiten Arms (14) jeweils einstückig sind.

16. Koppelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der

• a) der Koppelstab (9) zumindest einen Kühlkanal (34) aufweist, durch den ein Kühlfluid führbar ist;
• b) der Kühlkanal (35) angeschlossen ist an Kühlleitungen (35), die durch den Innenleiter (20) des dritten Arms (14) aus dem T-Stück (11) herausgeführt sind.

17. Koppelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Resonanzwellenlänge zwischen 3 cm und 3 m beträgt.

18. Koppelvorrichtung nach Anspruch 17, bei der die Resonanzwellenlänge mindestens 30 cm, vorzugsweise zwischen 50 cm und 1 m, beträgt.