DE4413234A1 - Koaxiale Anordnung mit einem virtuellen Kurzschluß - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem längs einer Hauptachse ausgerichteten Stab, der eine elektrisch leitfähi­ ge und im wesentlichen homogene Oberfläche hat, und einem den Stab etwa koaxial bezüglich der Hauptachse umgebenden Mantel mit einer dem Stab zugewandten, elektrisch leitfähigen Ober­ fläche, wobei der Stab an einem Ende aus dem Mantel heraus­ ragt, an welchem Ende ein bei einer Resonanzfrequenz wirksa­ mer virtueller Kurzschluß zwischen dem Stab und dem Mantel besteht, und wobei der Mantel an zumindest einer Trennstelle, die um ein Gleiches oder ein ungeradzahliges Vielfaches eines Viertels einer der Resonanzfrequenz zugeordneten Resonanzwel­ lenlänge von dem Ende beabstandet ist, eine bei der Resonanz­ frequenz wirksame Isolierung aufweist.

Eine derartige Anordnung geht hervor aus der EP 0 462 465 A2, siehe insbesondere deren Fig. 2, oder der WO 93/13569 A1. Gemäß jedem dieser Dokumente ist die Anordnung mit dem Stab und dem Mantel, im folgenden gelegentlich kurz als "koaxiale Anordnung" bezeichnet, Bestandteil einer Koppelvorrichtung zur Ankopplung einer Speiseleitung an einen Hohlraumresona­ tor, wobei durch Verschieben des Stabes entlang seiner Haupt­ achse eine Veränderung eines Koppelfaktors oder Kopplungs­ koeffizienten, der die Ankopplung der Speiseleitung an den Hohlraumresonator beschreibt, erreichbar ist. In jedem Fall erfolgt die Ankopplung der Speiseleitung an den Hohlraumreso­ nator über die koaxiale Anordnung, wobei die Speiseleitung über ein entsprechendes Übergangsstück mit der koaxialen An­ ordnung fest verkoppelt ist und die koaxiale Anordnung über eine Koppelanordnung, zu der auch der Stab gehört, mit dem Hohlraumresonator verbunden ist. Der variable Kopplungskoef­ fizient ist dabei realisiert in der Koppelanordnung; er ist bestimmt durch die Position eines Endes des Stabes, welches der Koppelanordnung und dem Hohlraumresonator zugewandt ist.

In die Koppelanordnung ist ein Strahlrohr einbezogen, welches in den Hohlraumresonator mündet und an das die koaxiale An­ ordnung angeschlossen ist. Das Strahlrohr und der Hohlraumre­ sonator sind Bestandteil einer Beschleunigeranlage zur Be­ schleunigung elektrisch geladener Elementarteilchen oder Io­ nen, wobei eine derartige Beschleunigung insbesondere durch ein in dem Hohlraumresonator aufgebaut es elektromagnetisches Feld erfolgt. Gemäß der EP 0 462 465 A2 ist die Speiseleitung ein Hohlleiter und über einen sogenannten "Türknopf-Übergang" an die koaxiale Anordnung angeschlossen. Ein virtueller Kurz­ schluß in der koaxialen Anordnung, der allerdings realisiert ist unter Einbeziehung einer elektrisch leitfähigen Verbin­ dung zwischen dem Stab und dem Mantel, dient der für eine vorgegebene Resonanzfrequenz wirksamen elektrischen Verbin­ dung des Stabs mit anderen Teilen der koaxialen Anordnung. Gemäß der WO 93/13569 A1 ist die Speiseleitung als Koaxial­ leitung ausgebildet und über ein sogenanntes breitbandiges koaxiales T-Stück an die koaxiale Anordnung angeschlossen. koaxiale T-Stück hat drei koaxiale Arme, an deren ersten die Speiseleitung angeschlossen ist, von deren zweitem ein Koaxialleiter unter Einbeziehung des Stabes als Innenleiter zum Hohlraumresonator führt und deren dritter mit einem rea­ len Kurzschluß kurzgeschlossen ist. Ein virtueller Kurzschluß in der koaxialen Anordnung dient der Verbindung eines Innen­ leiters des zweiten Arms mit dem Stab; auch dieser virtuelle Kurzschluß ist mittels einer über Schleifkontakte realisier­ ten elektrischen Verbindung zwischen dem Mantel und dem Stab realisiert.

Zum weiteren Stand der Technik wird verwiesen auf die DE 32 08 655 C2, die GB-PS 1 146 287 sowie das US-Patent 4,286,192. Die DE 32 08 655 C2 betrifft ebenso die Ankopplung einer Speiseleitung an einen Hohlraumresonator wie die beiden obengenannten Schriften, wobei eine koaxiale Anordnung reali­ siert ist, die einen aufwendig strukturierten Mantel erfor­ dert, die zwar ohne eine unmittelbare elektrische Verbindung zwischen dem Stab und dem Mantel auskommt, die allerdings prinzipiell nur einen angenäherten virtuellen Kurzschluß bie­ ten kann. Wird die koaxiale Anordnung mit einem hochfrequen­ ten elektromagnetischen Feld, welches bei einer vorgegebenen Resonanzfrequenz oszilliert, beaufschlagt, so kommt es stets zu einer unvermeidlichen Leckage in beträchtlicher Größe durch die koaxiale Anordnung hindurch.

Die GB-PS 1 146 287 betrifft eine koaxiale Anordnung, die zur Ankopplung eines koaxialen Abschlußwiderstands an einen ein Mikrowellensignal führenden Hohlleiter dient und an die eine in den Hohlleiter hineinragende Sonde angeschlossen ist. Die koaxiale Anordnung dient der Ankopplung der Sonde an einen Innenleiter eines Koaxialleiters, an den seinerseits der Ab­ schlußwiderstand angeschlossen ist. Ein Basiselement der Sonde und der rohrförmige Innenleiter sind gegeneinander durch einen Isolierstoff isoliert, so daß ein elektromagneti­ sches Feld aus dem Hohlleiter zwischen die Sonde und den In­ nenleiter eindringen kann. Hinter dem Grundelement der Sonde ist der Innenleiter ausgefüllt mit einem flüssigen Kühlmit­ tel, insbesondere Wasser. Die Tatsache, daß die gewählte Geo­ metrie und das Kühlmittel zu einer erheblichen Dämpfung der Ausbreitung des elektromagnetischen Feldes in dem Kühlmittel beitragen, wird benutzt, um zwischen dem Innenleiter und der Sonde einen virtuellen Kurzschluß in angenähert er Form zu er­ zeugen. Die Funktion der koaxialen Anordnung beruht wesent­ lich darauf, daß ein Kühlmittel mit entsprechenden Eigen­ schaften verwendet wird; bei dieser Anordnung besteht zwar nicht, wie bei der vorher beschriebenen Anordnung, die Gefahr eines "Vagabundierens" des elektromagnetischen Feldes, aber es wird keinesfalls ein idealer virtueller Kurzschluß er­ reicht.

Das US-Patent 4,286,192 betrifft eine koaxiale Anordnung mit einem virtuellen Kurzschluß zur Abstimmung eines Hohlraumre­ sonators. Bei dieser Anordnung gibt es allerdings eine elek­ trisch leitfähige Verbindung zwischen dem Stab und dem Man­ tel, die lediglich durch bestimmte Maßnahmen vor übermäßiger Belastung geschützt ist. Hinweise auf besondere Ausgestaltun­ gen der koaxialen Anordnung gibt es nicht.

Soweit die aus dem Stand der Technik bekannten koaxialen An­ ordnungen tatsächlich virtuelle Kurzschlüsse in ausreichender Güte ermöglichen, was bei den Anordnungen gemäß der EP 0 462 465 A2, der WO 93/13569 A1 und dem US-Patent 4,286,192 anzunehmen ist, erfordern diese Anordnungen elek­ trisch leitfähige Verbindungen zwischen dem Mantel und dem Stab. Solche elektrisch leitfähigen Verbindungen, die im Re­ gelfall Schleifkontakte sind, sind allerdings dann höchst problematisch, wenn eine solche koaxiale Anordnung in einer üblicherweise sehr sauberen Hochvakuum-Umgebung, wie sie bei­ spielsweise in einem Beschleuniger für Elementarteilchen oder Ionen vorherrscht, insbesondere dann, wenn die koaxiale An­ ordnung im Zusammenhang mit einer supraleitenden Apparatur steht, eingesetzt wird. In einem derartigen Fall kann es zu Kaltverschweißungen zwischen den Schleifkontakten und dem Stab oder dem Mantel kommen, außerdem muß mit der Bildung von Abrieb gerechnet werden, welcher einer supraleitenden Ein­ richtung gefährlich werden könnte. Insbesondere das Problem des Abriebs beschränkt die Einsatzmöglichkeit für eine koa­ xiale Anordnung, in der der Stab beweglich ist, solange der Stab über Schleifkontakte mit dem Mantel verbunden sein muß. Mit jeder Verschiebung des Stabs ist die Bildung von Abrieb verbunden, so daß zur Vermeidung wesentlicher Mengen an Ab­ rieb eine Verschiebung des Stabs auf eher seltene Gelegenhei­ ten beschränkt sein muß. Bekannte koaxiale Anordnungen sind daher prinzipiell ungeeignet zur Einbeziehung in Regelkreise, die nach bestimmten Vorgaben die Position der Stäbe in den Anordnungen einstellen.

Ausgehend von dieser Problematik beruht die Erfindung auf der Aufgabe, eine koaxiale Anordnung der in der Einleitung ge­ nannten Art anzugeben, die die Bildung eines technisch ein­ wandfreien virtuellen Kurzschlusses erlaubt und die keinerlei unmittelbare elektrische Verbindung zwischen dem Stab und dem Mantel erfordert.

Die zur Lösung dieser Aufgabe angegebene Anordnung mit einem längs einer Hauptachse ausgerichteten Stab, der eine elek­ trisch leitfähige und im wesentlichen homogene Oberfläche hat, und einem den Stab etwa koaxial bezüglich der Hauptachse umgebenden Mantel mit einer dem Stab zugewandten, elektrisch leitfähigen Oberfläche, wobei der Stab an einem Ende aus dem Mantel herausragt, an welchem Ende ein bei einer Resonanzfre­ quenz wirksamer virtueller Kurzschluß zwischen dem Stab und dem Mantel besteht, und wobei der Mantel an zumindest einer Trennstelle, die um ein Gleiches oder ein ungeradzahliges Vielfaches eines Viertels einer der Resonanzfrequenz zugeord­ neten Resonanzwellenlänge von dem Ende beabstandet ist, eine bei der Resonanzfrequenz wirksame Isolierung aufweist, zeich­ net sich dadurch aus, daß der Stab und der Mantel innerhalb der Anordnung gegeneinander elektrisch isoliert sind.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß die Bildung eines ausreichenden Kurzschlusses bereits dann gewährleistet ist, wenn die Ausbreitung eines elektromagnetischen Feldes im koaxialen Modus, wobei entlang der Hauptachse elektrische Ströme und Spannungen auf den Mantel den elektrischen Strömen bzw. Spannungen auf dem Stab entgegengesetzt sind, unterbun­ den ist, und daß solches bereits dann der Fall ist, wenn auf dem Mantel allein eine Trennstelle gebildet ist, an der kein elektrischer Strom fließen kann. Wird nämlich auf dem Mantel an einer Stelle ein elektrischer Strom von Null erzwungen, so erfordert es die Symmetrie des koaxialen Modus, daß auch auf dem Stab ein Strom fließt - obwohl der Stab an der entspre­ chenden Stelle elektrisch leitend ist. Daher bedarf es erfin­ dungsgemäß keiner elektrischer Verbindung zwischen dem Mantel und dem Stab an der Trennstelle mehr; alle Probleme, die mit einer solchen Verbindung verbunden wären, sind vermieden, und darüber hinaus wird eine in der Tat im technischen Sinne vollständige offene Stelle in der koaxialen Anordnung er­ reicht. Da diese offene Stelle erfindungsgemäß um ein Glei­ ches oder ungeradzahliges Vielfaches eines Viertels der der Resonanzfrequenz zugeordneten Resonanzwellenlänge von dem En­ de des Mantels entfernt ist, an dem der Stab aus dem Mantel austritt, wird die offene Stelle der koaxialen Anordnung transformiert zu einem vollständigen virtuellen Kurzschluß an dem Ende. Ein Entweichen des elektrischen Feldes über die Trennstelle hinaus ist ausgeschlossen, zumindest soweit die­ ses Entweichen über den koaxialen Modus erfolgen müßte. Es versteht sich, daß die Erfindung ebenso wie der Stand der Technik ein gewisses Hindurchtreten elektromagnetischer Ener­ gie durch die koaxiale Anordnung nicht ausschließt, wenn auch um viele Zehnerpotenzen gedämpft. In diesem Sinne ist von ei­ nem im technischen Sinne vollständigen Kurzschluß bereits dann zu sprechen, wenn die Dämpfung, die die koaxiale Anord­ nung anstelle des tatsächlich vollständigen Abschlusses rea­ lisiert, einem Wert oberhalb einer Größenordnung von 30 Dezi­ bel, je nach den Umständen des Einzelfalls auch nur oberhalb einer Größenordnung von 40 Dezibel, entspricht.

Es versteht sich, daß ein Ausschluß jedweder mechanischen, womöglich sogar elektrisch leitfähigen, Verbindung zwischen dem Stab und dem Mantel nicht beabsichtigt ist; da der Stab und der Mantel in fester räumlicher Beziehung zueinander ste­ hen sollen, gegebenenfalls mit der Möglichkeit gegenseitiger Verschiebung, ist im Regelfall eine mechanisch feste Verbin­ dung, die je nachdem sogar elektrisch leitfähig sein kann, erforderlich. Eine derartige Verbindung soll allerdings außerhalb der Anordnung liegen, und das heißt so angebracht sein, daß sie ein elektromagnetisches Feld, dem die Anordnung den virtuellen Kurzschluß präsentieren soll, nicht beein­ trächtigt und auch den virtuellen Kurzschluß selbst nicht be­ einflußt.

Bevorzugtermaßen umfaßt die Isolierung an der Trennstelle des Mantels ein in die Trennstelle eingefügtes Dielektrikum. Die­ ses Dielektrikum kann mehrere Funktionen erfüllen. Zunächst ist es geeignet zur Bildung eines Kondensators an der Trenn­ stelle, welcher sich zur Einbeziehung in vielfältige Schalt­ kreise eignet, mit denen an der Trennstelle die gewünschte Stromlosigkeit zu erzielen ist. Eine solche Schaltung kann beispielsweise ein Parallelschwingkreis oder ein analog funk­ tionierender Hohlraumresonator sein; für Einzelheiten sei auf die folgenden Ausführungen verwiesen. Außerdem kann das Di­ elektrikum zum vakuumdichten Abschluß des Mantels dienen, was für viele Anwendungen im Zusammenhang mit Hochvakuum-Anlagen günstig sein kann.

Mit besonderem Vorzug ist die Isolierung mit einem an der Trennstelle in den Mantel einmündenden und etwa auf der Reso­ nanzfrequenz abgestimmtem koaxialen Sperrfilter gebildet, wo­ bei das Sperrfilter einen koaxialen Wellenleiter und einen an diesem abseits der Trennstelle angebrachten realen Kurzschluß aufweist. Da das Sperrfilter an der Trennstelle als offene Stelle fungieren muß, kann es mit einem koaxialen Wellenlei­ ter gebildet werden, dessen Länge einem gleichen oder einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels einer der Resonanz­ frequenz zugeordneten Resonanzwellenlänge entspricht; der Zu­ sammenhang zwischen der Resonanzfrequenz und der Resonanzwel­ lenlänge ist dabei unter anderem bestimmt durch die spezifi­ schen Eigenschaften des Wellenleiters, insbesondere dessen Wellenwiderstand. Ein koaxiales Sperrfilter stellt ein Bei­ spiel für einen Hohlraumresonator dar, der an der Trennstelle des Mantels die gewünschte Stromlosigkeit bewirkt.

Mit weiterem Vorzug beinhaltet das Sperrfilter einen an der Trennstelle angeordneten Kondensator, der insbesondere mit einem Dielektrikum der erwähnten Art gebildet wird. Durch die Einbeziehung eines Kondensators ergibt sich eine Reduzierung der Länge des koaxialen Wellenleiters, da der an einem der Trennstelle abgewandten Ende kurzgeschlossene Wellenleiter nicht mehr als Sperrkreis funktionieren muß, sondern als In­ duktivität. Hierdurch kann eine wesentliche Verringerung der Länge des Sperrfilters erreicht werden, was insbesondere dann von Bedeutung ist, wenn die Länge des Sperrfilters kleiner als ein Viertel der erwähnten Resonanzwellenlänge sein soll.

Der zu dem Sperrfilter gehörige koaxiale Wellenleiter wird vorteilhafterweise so gewählt, daß der Wellenwiderstand des von dem Stab und dem Mantel dargestellten Wellenleiters klei­ ner als der Wellenwiderstand des Wellenleiters in dem Sperr­ filter ist. Hiermit kann insbesondere ein nachteiliger Ein­ fluß eines endlichen Restwiderstands, den der Kurzschluß in dem Sperrfilter immer noch haben kann, begrenzt und eine hohe Qualität des Sperrfilters sichergestellt werden.

Mit weiterem Vorzug, welcher insbesondere bei einer Anwendung der Anordnung in einem sehr hohen elektromagnetischen Feld, hat der Mantel mehrere, insbesondere zwei, Trennstellen, wel­ che entlang der Hauptachse hintereinander angeordnet und je­ weils um ein Gleiches oder ein ungeradzahliges Vielfaches der Resonanzwellenlänge voneinander beabstandet sind. Dabei wird in der Anordnung nicht ein einziger virtueller Kurzschluß ge­ bildet, sondern es entstehen mehrere virtuelle Kurzschlüsse, die hintereinander liegen und deren Dämpfungswirkungen multi­ plikativ zusammenwirken. Derart kann eine besonders gute Un­ terdrückung des Durchtritts eines elektromagnetischen Felds durch die Anordnung hindurch erzielt werden. Im Fall mehrerer Trennstellen wird für jede Trennstelle eine Isolierung mit einem zugehörigen koaxialen Sperrfilter der erwähnten Art ge­ bildet, wobei jedem Sperrfilter ein Wellenwiderstand, nämlich der Wellenwiderstand des zugehörigen koaxialen Wellenleiters, zugeordnet ist, und wobei alle Wellenwiderstände verschieden voneinander sind. Die Dämpfungswirkung einer solchen Anord­ nung ist besonders hoch.

Mit weiterem Vorzug ist der Stab in der Anordnung entlang der Hauptachse verschiebbar, womit die Vorzüge der Erfindung er­ schlossen werden für entsprechende Anwendungen, insbesondere für den Fall der Einbeziehung einer derartigen Anordnung in einen Regelkreis.

Mit weiterem Vorzug ist die Anordnung Teil einer Vorrichtung zur Ankopplung eines entlang der Hauptachse gerichteten Ko­ axialleiters, bei dem der Stab als Innenleiter fungiert, an einen winklig, insbesondere etwa senkrecht, zu der Hauptachse gerichteten anderen Leiter, wobei zwischen dem Koaxialleiter und dem anderen Leiter ein Übergangsstück liegt mit einem et­ wa senkrecht zu der Hauptachse ausgerichteten Wandabschnitt, in den der Mantel mit dem Ende einmündet. Mit dieser Ausge­ staltung wird die Anwendung der Erfindung in Koppelvorrich­ tungen nach Art der aus der EP 0 462 465 A2 und der WO 93/13569 A1 ersichtlichen erschlossen.

Der andere Leiter ist insbesondere ein Hohlleiter, und das Übergangsstück zur Ankopplung des Hohlleiters an den Koaxial­ leiter ist ein Türknopf-Übergang bekannter Art. Der Wandab­ schnitt liegt dabei vorzugsweise auf einer zu dem Türknopf- Übergang gehörenden Einstülpung, die insbesondere etwa be­ cherförmig ist, und die Isolierung ist zumindest teilweise in der Einstülpung angeordnet. Dies ist insbesondere dann mög­ lich und vorteilhaft, wenn die Isolierung mit einem koaxialen Sperrfilter gebildet ist, welches einen an der Trennstelle gebildeten Kondensator beinhaltet. Ein solches kapazitiv be­ lastet es Sperrfilter ist entlang der Hauptachse relativ kurz und kann somit in das Innere der Einstülpung eingefügt sein; gegebenenfalls kann die Einstülpung selbst als Bauteil für das Sperrfilter dienen. Je nach Anforderung an die Sperrwir­ kung können entlang der Hauptachse mehrere Trennstellen hin­ tereinander liegen und mit zugehörigen Isolierungen, insbe­ sondere mit zugehörigen koaxialen Sperrfiltern, gebildet sein.

Die koaxiale Anordnung kann auch Teil einer Vorrichtung zur Ankopplung eines Leiters in Form eines anderen Koaxialleiters an den mit dem Stab gebildeten Koaxialleiter dienen. Dabei ist das Übergangsstück zwischen dem anderen Koaxialleiter und dem mit dem Stab gebildeten Koaxialleiter vorzugsweise ein breitbandiges koaxiales T-Stück, welches bereits beschrieben wurde.

Die vorstehend in zwei Ausgestaltungen beschriebene Anordnung in einer Vorrichtung zur Ankopplung eines entlang der Haupt­ achse gerichteten Koaxialleiters unter Einbeziehung des Stabs an einen winklig, insbesondere senkrecht, zu der Hauptachse gerichteten anderen Leiter ist mit weiterem Vorzug ergänzt um eine Koppelanordnung, die den Koaxialleiter an einen Hohl­ raumresonator anschließt, wobei der Stab in die Koppelanord­ nung hineinragt und einen Kopplungskoeffizienten für eine Kopplung zwischen dem Koaxialleiter und dem Hohlraumresonator bestimmt. Der Kopplungskoeffizient ist insbesondere durch Verschiebung des Stabs entlang der Hauptachse veränder­ bar. Eine solche Anordnung dient zur Einkopplung eines elek­ tromagnetischen Signals aus dem anderen Leiter in den Hohl­ raumresonator, wobei ein diese Einkopplung bestimmender Kopp­ lungskoeffizient durch Verschiebung des Stabs veränderbar ist. Da die Anordnung ohne unmittelbare elektrische Verbin­ dung zwischen dem Stab und dem Mantel auskommt, gibt es keine Bauteile, die bei einer Verschiebung des Stabs Abreibeprozes­ sen unterworfen sind; die Verschiebung des Stabs erfolgt in­ soweit reibungsfrei. Aus diesem Grund ist diese Ausgestaltung besonders geeignet zur Einbeziehung in einen Regelkreis, in dem nach bestimmten Vorgaben eine automatische Verstellung des Kopplungskoeffizienten erforderlich ist. Einen solchen Regelkreis kann es beispielsweise geben in einer Beschleuni­ geranlage, in der der Hohlraumresonator zur Beschleunigung von Elementarteilchen oder Ionen dient. Eine derartige Be­ schleunigung erfordert naturgemäß die Übertragung von Energie aus dem Hohlraumresonator, d. h. aus einem in dem Hohlraumre­ sonator aufgebauten elektromagnetischen Feld, auf die zu be­ schleunigenden Elementarteilchen oder Ionen, und damit eine Bedämpfung des Feldes in dem Hohlraumresonator. Je nachdem, wie hoch der Strom von Elementarteilchen oder Ionen ist, ist die Bedämpfung des Feldes mehr oder weniger hoch. Um die Be­ schleunigung, die letzten Endes bestimmt ist durch die Höhe einer elektrischen Spannung, die durch das Feld in dem Hohl­ raumresonator bestimmt wird, muß diese elektrische Spannung für eine vorgegebene Beschleunigung auf einem bestimmten Wert gehalten werden. Je nach der Bedämpfung, die das Feld er­ fährt, ist zur Aufrechterhaltung der elektrischen Spannung eine mehr oder weniger hohe elektrische Leistung zuzuführen. Die Höhe dieser elektrischen Leistung kann durch eine Varia­ tion des Kopplungskoeffizienten eingestellt werden, wobei die Erfindung es erstmalig gestattet, den Kopplungskoeffizienten einer kurzfristigen Schwankung in dem Strom der den Hohlraum­ resonator durchfliegenden Elementarteilchen oder Ionen anzu­ passen. Im Zusammenhang mit einem Meßaufnehmer für den Strom kann die Anpassung des Kopplungskoeffizienten automatisch, unter Ausgleich kurzzeitiger Schwankungen des Stroms, bewerk­ stelligt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung gehen aus der Zeichnung vor. Der Deutlichkeit halber ist die Zeichnung teilweise schematisiert und/oder leicht verzerrt ausgeführt. Im einzel­ nen zeigt:

Fig. 1 eine Skizze, aus der die Grundmerkmale der Erfindung hervorgehen;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Koppelvorrichtung, in die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung einbezogen ist;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein anderes Beispiel für ei­ ne Koppelvorrichtung unter Einbeziehung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung mit einem längs einer Hauptachse 1 ausgerichteten Stab mit einer elektrisch leitfähigen und im wesentlichen homogenen Oberfläche 3, der von einem Mantel 4 mit einer dem Stab 2 zugewandten elek­ trisch leitfähigen Oberfläche 5 etwa koaxial bezüglich der Hauptachse 1 umgeben ist. Der Stab 2 ragt an einem Ende 6 aus dem Mantel 4 heraus. An diesem Ende 6 soll bei einer vorgege­ benen Resonanzfrequenz ein virtueller Kurzschluß, also ein Kurzschluß, der nicht unmittelbar mit einer elektrisch leit­ fähigen Verbindung gebildet ist, zwischen dem Mantel 4 und dem Stab 2 vorliegen. Die Realisierung eines an dem Ende 6 gewünschten Kurzschlusses als virtueller Kurzschluß ist ins­ besondere dann von Bedeutung, wenn der Stab 2 entlang der Hauptachse 1 verschiebbar sein soll, und wenn der Kurzschluß zwischen dem Stab 2 und dem Mantel 4 mit einem erheblichen elektrischen Strom beaufschlagt werden soll.

Der virtuelle Kurzschluß wird realisiert, indem in einem be­ stimmten Abstand von dem Ende 6, nämlich in einem Abstand, der einem Gleichen oder einem ungeradzahligen Vielfachen ei­ nes Viertels eines Resonanzwellenlänge, die der Resonanzfre­ quenz zugeordnet ist mit der Maßgabe, daß die Resonanzwellen­ länge einer Wellenlänge eines elektromagnetischen Feldes ist, welches in einem aus dem Stab 2 und dem Mantel 4 gebildeten Koaxialleiters mit der Resonanzfrequenz oszilliert, eine Trennstelle 7 in dem Mantel 4 vorgesehen wird. Einer entspre­ chenden Trennstelle in dem Stab 2, welche insbesondere dann kaum realisierbar wäre, wenn der Stab 2 entlang der Haupt­ achse 1 verschiebbar sein soll, bedarf es erfindungsgemäß nicht. Es bedarf erfindungsgemäß auch keinerlei elektrisch leitfähiger Verbindung zwischen dem Stab 2 und dem Mantel 4 zwischen dem Ende 6 und der Trennstelle 7 oder in einer ande­ ren Umgebung der Trennstelle 7. Der Stab 2 und der Mantel 4 bleiben vollständig außer Verbindung, zumindest soweit es die Funktion der dargestellten Anordnung betrifft. Für die Funk­ tion der Anordnung ist wichtig, daß bereits die Trennstelle 7 in dem Mantel 4 die Ausbreitung eines elektromagnetischen Feldes zwischen dem Stab 2 und dem Mantel 4 im koaxialen Mo­ dus unterbindet aufgrund der für ein elektromagnetisches Feld, welches sich in einem Koaxialleiter ausbreitet, notwen­ digen Symmetrie. An der Trennstelle 7 ist eine Isolierung 8, 9, 10, 11 vorgesehen. In vielen Fällen mag es nicht ausrei­ chen, den Mantel 4 an der Trennstelle 7 lediglich auf zu­ schlitzen, da ein solcher Schlitz einen Kondensator darstellt und eine je nach Höhe der Resonanzfrequenz durchaus nennens­ werte Kapazität haben könnte. Um an der Trennstelle 7 tat­ sächlich eine offene Stelle zu realisieren, ist ein koaxiales Sperrfilter 9, 10 vorgesehen, gebildet mit einem an der Trennstelle 7 in den Mantel 4 einmündenden koaxialen Wellen­ leiter 9, der beabstandet von der Trennstelle 7 mit einem realen Kurzschluß 10 abgeschlossen ist. An der Trennstelle 7 ist der Wellenleiter 9 versehen mit einem Kondensator 11, dem ein an der Trennstelle 7 in den Mantel 4 eingefügtes Dielek­ trikum 8 zugeordnet ist. Dieser Kondensator 11 führt dazu, daß sich die erforderliche Länge des Wellenleiters 9 verrin­ gert. Ohne den Kondensator 11 hätte der Wellenleiter 9 eine Länge aufzuweisen, die einem Gleichen oder einem ungeradzah­ ligen Vielfachen eines Viertels einer für den Wellenleiter 9 maßgeblichen Resonanzwellenlänge entspricht; der Einfachheit halber würde bevorzugtermaßen ein Wellenleiter 9 gewählt, dessen Länge einem Viertel der Resonanzwellenlänge ent­ spricht. Zu beachten ist, daß die Resonanzwellenlänge in dem Wellenleiter 9 durchaus verschieden sein kann von der Reso­ nanzwellenlänge in dem Koaxialleiter aus dem Stab 2 und Man­ tel 4. Es wird nicht geltend gemacht, daß die in Fig. 1 dar­ gestellte Anordnung maßstabsgerecht sei; bei entsprechender Dimensionierung der Teile der dargestellten Anordnung könnte sie aber durchaus, zumindest teilweise, maßstabsgerecht sein. Das Dielektrikum 8 kann mehrere Funktionen erfüllen; neben der Bestimmung der wirksamen Kapazität des Kondensators 11 kann es auch zu Isolierzwecken an der Trennstelle 7 sowie als Vakuumbarriere dienen, wenn die Anordnung in einem Vakuumsy­ stem eingesetzt wird, wobei eine Einbindung des Wellenleiters 9 in das Vakuumsystem unerwünscht ist. Ein entsprechendes Dielektrikum 8 kann in einem solchen Fall als Dichtung die­ nen.

Fig. 2 zeigt die Einbeziehung der Anordnung mit dem Stab 2, der von dem Mantel 4 umgeben ist, in eine Koppelvorrichtung zur Ankopplung eines Hohlleiters 13 an einen Hohlraumresona­ tor 20, wobei eine Stärke der Kopplung, beschrieben durch den sogenannten Kopplungskoeffizienten oder Kopplungsfaktor, durch Verschiebung des Stabs 2 entlang der Hauptachse 1 vari­ ierbar sein soll. Der Hohlraumresonator 20 ist Bestandteil einer Beschleunigeranlage für einen Strahl aus Elementarteil­ chen oder Ionen und ist zwischen Strahlrohren 21 eingefügt, die ein Vakuumsystem zur Führung des Strahls bilden. Auf ei­ ner Seite ist an den Hohlraumresonator 20 eine Koppelanord­ nung 19 angefügt, welche einen Koaxialleiter 12, in dem der Stab 2 als Innenleiter dient, an den Hohlraumresonator 20 an­ koppelt. Durch Verschiebung des Stabes 2 entlang der Haupt­ achse 1 ist die gewünschte Variation des Kopplungskoeffizien­ ten, welcher im wesentlichen dem Kopplungskoeffizienten für die Kopplung zwischen dem Koaxialleiter 12 und dem Hohlraum­ resonator 20 entspricht, möglich. Zwischen dem Koaxialleiter 12 und dem Hohlleiter 13 ist ein Übergangsstück 15 in Form eines Türknopf-Überganges bekannter Art eingefügt. Der Tür­ knopf-Übergang 15 bildet eine im wesentliche geradlinige Fortsetzung des Hohlleiters 13; der Koaxialleiter 12 ragt rechtwinklig zu einer Längsrichtung des Hohlleiters 13 aus dem Türknopf-Übergang 15 hervor. Der Türknopf-Übergang 15 weist eine Einstülpung 18 auf, aus der der Stab 2 hervorragt. Zwischen einem etwa senkrecht zur Hauptachse 1 ausgerichteten Wandabschnitt 17 auf der Einstülpung 18 und dem Stab 2 ist dabei ein Kurzschluß, d. h. zumindest ein virtueller Kurz­ schluß, zu bilden. Die Bildung dieses Kurzschlusses erfolgt mit einer koaxialen Anordnung gemäß der Erfindung. Dabei ist in der Einstülpung 18 ein den Stab 2 koaxial umgebender Man­ tel 4 vorgesehen, in dem zwei Trennstellen 7 vorgesehen sind. An jeder Trennstelle 7 befindet sich eine Isolierung 9, 10, 11 in Form eines koaxialen Sperrfilters mit einem Wellenlei­ ter 9 nebst realem Kurschluß 10 und an der Trennstelle 7 an­ geordnetem Kondensator 11. Beide Isolierungen 9, 10, 11 ge­ währleisten einen virtuellen Kurzschluß hoher Güte an dem En­ de 6 des Mantels 4, welches auf dem Bandabschnitt 17 liegt und an dem der Stab 2 aus der Einstülpung 18 hervorragt. Der Stab 2 ist ohne unmittelbaren Kontakt durch den Mantel 4 hin­ durchgeführt und endet in einer Endplatte 24, die über einen Faltenbalg 23 an den Türknopf-Übergang 15 angeschlossen ist. Derart ist eine Verschiebung des Stabes 2 entlang der Haupt­ achse 1 möglich. Hierzu erforderliche Mittel sind bekannt und wurden der Übersicht halber nicht dargestellt. Im Betrieb ist die dargestellte Koppelvorrichtung aus einem Sender 22 über den Hohlleiter 13 mit einem elektromagnetischen Feld zu be­ aufschlagen. Dieses Feld wird durch den Koaxialleiter 12 und die Koppelanordnung 19 in den Hohlraumresonator 20 eingekop­ pelt, wobei die Kopplung durch Einstellung des Kopplungskoef­ fizienten veränderbar ist.

Fig. 3 zeigt die Einbeziehung einer erfindungsgemäßen Anord­ nung mit einem Stab 2 und einem Mantel 4 in eine Vorrichtung, mit der ein Koaxialleiter 12, dessen Innenleiter der Stab 2 ist, an einen anderen Koaxialleiter 14 angekoppelt wird. Da­ bei erfolgt die Verbindung zwischen den Koaxialleitern 12 und 14 mit einem breitbandigen koaxialen T-Stück 16 als Über­ gangsstück. Ausgestaltungen für breitbandige koaxiale T-Stüc­ ke sind aus dem Stand der Technik geläufig; zu bestimmten Einzelheiten derartiger T-Stücke, sowie zur Einbindung der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung in eine Koppelvorrichtung zur Ankopplung des Koaxialleiters 14 an einen Hohlraumresona­ tor (vergleiche auch Fig. 2) wird auf die bereits abgehan­ delte Schrift WO 93/13569 A1 verwiesen. Das breitbandige ko­ axiale T-Stück 16 hat drei Arme 25, 26, 27, deren jeder eine Länge hat, die einem Gleichen oder einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels einer der Resonanzfrequenz zugeord­ neten Resonanzwellenlänge beträgt; der Einfachheit halber entspricht die Länge jedes Arms 25, 26, 27 einem Viertel der Resonanzwellenlänge. Auch muß jeder Arm 25, 26, 27 einen Wel­ lenwiderstand haben, der in einer wohldefinierten Beziehung zu den Wellenwiderständen der Koaxialleiter 12, 14 steht. Ein erster Arm 25 ist an den Koaxialleiter 14 angeschlossen; auf einen zweiten Arm 26 folgt der Koaxialleiter 12, und ein dritter Arm 27 ist mittels eines Kurzschlusses 28 kurzge­ schlossen. Der Stab 2 ragt in das T-Stück 16 hinein und ist in diesem von dem Mantel 4 umgeben. Am Ende 6 des Mantels 4 ist ein Kurzschluß zwischen dem Stab 2 und dem Mantel 4 zu bilden, und dies erfolgt erfindungsgemäß durch Anschluß einer Isolierung 9, 10 an einer von dem Ende 6 geeignet beabstande­ ten Trennstelle 7; die Isolierung 9, 10 ist gebildet mit ei­ nem koaxialen Wellenleiter 9 nebst Kurzschluß 10. Ein Wand­ abschnitt 17, aus dem der Stab 2 austritt, liegt am Ende 6 des Mantels 4 und ist als relativ dünner Kreisring ausgebil­ det. Der Stab 2 ist aus dem breitbandigen T-Stück 16 heraus­ geführt und kann, wie auch zu Fig. 2 angedeutet, durch einen an dem Kurzschluß 28 angebrachten geeigneten Antrieb ver­ schoben werden. Der Übersicht halber ist dieser Antrieb nicht dargestellt; für diesbezügliche Möglichkeiten siehe die be­ reits erwähnte WO 93/13569 A1.

Die erfindungsgemäße koaxiale Anordnung mit einem virtuellen Kurzschluß bietet bei einfachem Aufbau eine ausgezeichnete Sperre gegen ein Vagabundieren eines elektromagnetischen Fel­ des, mit dem die koaxiale Anordnung beaufschlagt wird. Sie erfordert keinerlei unmittelbare Verbindung zwischen dem Man­ tel und dem Stab und ist damit besonders qualifiziert zur Einbindung in eine Anlage, die ein vielfach wiederholtes Ver­ schieben des Stabes entlang der Hauptachse erfordert. Bevor­ zugtermaßen findet die koaxiale Anordnung Anwendung in einer Koppelvorrichtung zur Ankopplung eines Hohlraumresonators an einen Leiter zur Zustellung eines elektromagnetischen Si­ gnals, wobei ein Kopplungskoeffizient durch Verschieben des Stabes veränderbar ist.

Claims (13)

1. Anordnung mit einem längs einer Hauptachse (1) ausgerich­ teten Stab (2), der eine elektrisch leitfähige und im wesent­ lichen homogene Oberfläche (3) hat, und einem den Stab (2) etwa koaxial bezüglich der Hauptachse (1) umgebenden Mantel (4) mit einer dem Stab (2) zugewandten elektrisch leitfähigen Oberfläche (5), wobei der Stab (2) an einem Ende (6) aus dem Mantel (4) herausragt, an welchem Ende (6) ein bei einer Re­ sonanzfrequenz wirksamer virtueller Kurzschluß zwischen dem Stab (2) und dem Mantel (4) besteht, und wobei der Mantel (4) an zumindest einer Trennstelle (7), die um ein Gleiches oder ein ungeradzahliges Vielfaches eines Viertels einer der Reso­ nanzfrequenz zugeordneten Resonanzwellenlänge von dem Ende (6) beabstandet ist, eine bei der Resonanzfrequenz wirksame Isolierung (8, 9, 10, 11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (2) und der Mantel (4) innerhalb der Anordnung gegeneinander elektrisch isoliert sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Isolierung (8, 9, 10, 11) ein an der Trennstelle (7) in den Mantel (4) einge­ fügtes Dielektrikum (8) beinhaltet.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Isolierung (8, 9, 10, 11) mit einem an der Trennstelle (7) in den Mantel (4) einmündenden und etwa auf die Resonanzfrequenz abgestimm­ ten koaxialen Sperrfilter (9, 10, 11) gebildet ist, wobei das Sperrfilter (9, 10, 11) einen koaxialen Wellenleiter (9) und einen an diesem abseits der Trennstelle (7) angebrachten rea­ len Kurzschluß (10) aufweist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, bei der das Sperrfilter (9, 10, 11) einen an der Trennstelle (7) angeordneten Kondensator (11) aufweist.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, bei der der Stab (2) und der Mantel (4) einen Wellenleiter darstellen, der einen zuge­ hörigen Wellenwiderstand hat, welcher kleiner ist als ein Wellenwiderstand des Wellenleiters (9) des Sperrfilters (9, 10, 11).

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Mantel (4) mehrere, insbesondere zwei, Trennstellen (7) aufweist, welche entlang der Hauptachse (1) hintereinander angeordnet und jeweils um ein Gleiches oder ein ungeradzahli­ ges Vielfaches der Resonanzwellenlänge voneinander beabstan­ det sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, bei der an jeder Trennstelle (7) eine Isolierung (8, 9, 10, 11) mit einem zugehörigen koa­ xialen Sperrfilter (9, 10, 11) gebildet ist, deren jedem ein Wellenwiderstand zugeordnet ist, wobei alle Wellenwiderstände verschieden voneinander sind.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Stab (2) entlang der Hauptachse (1) verschiebbar ist.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Vorrichtung zur Ankopplung eines entlang der Hauptachse (1) gerichteten Koaxialleiters (12), bei dem der Stab (2) als In­ nenleiter fungiert, an einen winklig, insbesondere etwa senk­ recht, zu der Hauptachse (1) gerichteten anderen Leiter (13, 14), wobei zwischen dem Koaxialleiter (12) und dem anderen Leiter (13, 14) ein Übergangsstück (15, 16) liegt mit einem etwa senkrecht zu der Hauptachse (1) ausgerichteten Wandab­ schnitt (17), in den der Mantel (4) mit dem Ende (6) einmün­ det.

10. Anordnung nach Anspruch 9, bei der der andere Leiter (13, 14) in Hohlleiter (13) und das Übergangsstück (15, 16) ein Türknopf-Übergang (15) ist.

11. Anordnung nach Anspruch 10, bei der der Wandabschnitt (17) auf einer zu dem Türknopf-Übergang (15) gehörenden Ein­ stülpung (18) liegt und die Isolierung (8, 9, 10, 11) zumin­ dest teilweise in der Einstülpung (18) angeordnet ist.

12. Anordnung nach Anspruch 9, bei der der andere Leiter (13, 14) ein anderer Koaxialleiter (14) und das Übergangsstück (15, 16) ein breitbandiges koaxiales T-Stück (16) ist.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei der der Koaxialleiter (12) über eine Koppelanordnung (19) an einen Hohlraumresonator (20) angeschlossen ist, wobei der Stab (2) in die Koppelanordnung (19) hineinragt und einen Kopplungs­ koeffizienten für eine Kopplung zwischen dem Koaxialleiter (12) und dem Hohlraumresonator (20) bestimmt, der durch Ver­ schiebung des Stabs (2) entlang der Hauptachse (1) veränder­ bar ist.