DE4413234A1 - Koaxiale Anordnung mit einem virtuellen Kurzschluß - Google Patents
Koaxiale Anordnung mit einem virtuellen KurzschlußInfo
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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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944413234 DE4413234A1 (de) | 1994-04-15 | 1994-04-15 | Koaxiale Anordnung mit einem virtuellen Kurzschluß |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944413234 DE4413234A1 (de) | 1994-04-15 | 1994-04-15 | Koaxiale Anordnung mit einem virtuellen Kurzschluß |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4413234A1 true DE4413234A1 (de) | 1995-10-19 |
Family
ID=6515624
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19944413234 Withdrawn DE4413234A1 (de) | 1994-04-15 | 1994-04-15 | Koaxiale Anordnung mit einem virtuellen Kurzschluß |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4413234A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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ES2696227A1 (es) * | 2018-07-10 | 2019-01-14 | Centro De Investig Energeticas Medioambientales Y Tecnologicas Ciemat | Fuente de iones de radiofrecuencia de baja erosion |
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DE3314759C2 (de) * | 1983-04-23 | 1991-08-08 | Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt, De | |
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1994
- 1994-04-15 DE DE19944413234 patent/DE4413234A1/de not_active Withdrawn
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WO2020012047A1 (es) * | 2018-07-10 | 2020-01-16 | Centro De Investigaciones Energéticas, Medioambientales Y Tecnológicas (Ciemat) | Fuente de iones interna para ciclotrones de baja erosión |
US11497111B2 (en) | 2018-07-10 | 2022-11-08 | Centro De Investigaciones Energeticas, Medioambientales Y Technologicas (Ciemat) | Low-erosion internal ion source for cyclotrons |
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