JP6080957B2 - 高周波電力を導波管へ結合する装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に係る高周波（ＨＦ）電力を導波管へ結合する装置、および、請求項９に係る導波管システムに関する。

例えば、荷電粒子を加速する粒子加速器において、高周波（ＨＦ）空洞（高周波共振器:Hochfrequenzresonatoren）が使用される。このような高周波空洞において、高周波電磁振動を励起するためには、その高周波空洞に高周波電力を供給する必要がある。一例として、テトロードまたはクライストロンによって、第１の位置で高周波電力を発生し、それを、導波管を介して、第２の位置に配置してある高周波空洞へと供給する、ということが知られている。その導波管は、例えば、開口を経て、または誘導結合によって、高周波空洞に接続される。各種の注入点は、従って、互いに精確に合致している必要がある。しかしいずれにせよ、各注入点は、不可避な電力損失を伴う。

本発明の目的は、高周波電力を導波管へ結合する装置を改善することにある。この目的は、請求項１に記載した特徴を有する装置によって達成される。本発明は、さらに、導波管システムの改善ということも目的としている。この目的は、請求項９に記載した特徴を有する導波管システムによって達成される。さらに好適な態様は、従属請求項に特定してある。

高周波電力を導波管へ結合する、本発明に係る装置は、入力端および出力端を有するプッシュプル出力段と、そのプッシュプル出力段の出力端に接続されたフィルタユニットと、そのフィルタユニットに接続された誘導ループと、を含んでいる。この装置においては、より好適には、高周波電力を発生するプッシュプル出力段が、高周波電力を導波管へ結合する誘導ループに接続される。従って、この装置によれば、高周波電力の結合位置において直接的に高周波電力を発生することが可能となり、これによって、システム全体が簡素化される。この装置は、基本的にモジュール式であることが望ましい。このような装置を複数使用することによって、発生可能な高周波電力を問題なく拡張することが可能となる。この方法は、極めて大きな高周波電力を達成可能にするという利点に繋がる。さらに、並列に構成することによって、達成可能な拡張性が信頼性の直接の向上に繋がるという利点がある。フィルタユニットを装置に組み入れることによって、有利なことに、この装置が高効率に動作することが可能となる。

本装置の一態様においては、フィルタユニットは、第１高調波フィルタと第２高調波フィルタとを備える。そのフィルタユニットの高調波フィルタは、固定周波数の異なる高調波に対して、異なったフィルタ特性を有し得るようにするのが好ましい。

本装置の一態様においては、第１高調波フィルタは、固定周波数での基本振動に対する固定有限インピーダンスを提供する。この場合のフィルタユニットは、有利なことに、導波管に対する基本振動の無損失結合を可能とする。

本装置の一態様においては、第１高調波フィルタは、固定周波数の第３高調波に対する開放線終端として機能する。これにより、有利なことに、プッシュプル出力段が高いエッジ急峻度で以て高速スイッチングすることが可能となり、その結果、スイッチング損失を抑えて、その望ましい最小化を達成することが可能となる。

本装置の一態様においては、第２高調波フィルタは、固定周波数の第２高調波に対する短絡線終端として機能する。これにより、有利なことに、スイッチング中のプッシュプル出力段において印加電圧が可能な限り低くなり、かつ流れる電流が可能な限り小さくなり、その結果、スイッチング損失を抑えて、その最小化を達成することが可能となる。

本装置の一態様においては、フィルタユニットは、固定周波数の第３高調波に対して少なくとも０．８の反射率を誘起する。この場合、フィルタユニットは、有利なことに、固定周波数の第３高調波に対してほぼ開放した線終端として機能する。

本装置の一態様においては、フィルタユニットは、固定周波数の第２高調波に対して−０．８以下の反射率を誘起する。この場合、フィルタユニットは、有利なことに、固定周波数の第２高調波に対してほぼ短絡した線終端として機能する。

本装置の一態様においては、結合プレートを備える。この態様における誘導ループは、その結合プレートに配置される。さらに、その結合プレートは、導波管壁の開口に設けられるように設定されている。この場合、誘導ループは、その誘導ループによって導波管内に電磁振動モードを励起することを可能とするべく、導波管内に配置されるようにするのが好ましい。そしてまた、その結合プレートは、導波管に対する本装置の簡易な機械的結合が可能であるようなものとするのが好ましい。

本発明に係る導波管システムは、導波管と、上述の態様の装置とを備える。このような導波管システムによれば、有利なことに、高周波電力は、上述のような本装置によって発生せしめられて、導波管へ直接的に結合されることが可能となる。従って、本導波管システムは、コンパクトに構成され、またその複雑さが低減される。

本導波管システムの一態様では、上述した態様の装置を２つ備える。この態様の導波管システムでは、有利なことに、２つの上述のような本装置によって発生される高周波電力が加算されて、それらを総合して一つにした、より大きな高周波電力を、直接に導波管へ結合することが可能となる。また、そのように高周波電力を結合する装置を２つ設けるようにしたことによって、導波管システムにおける２つの高周波電力結合装置が一度に故障するという蓋然性も低減される。

本導波管システムの一態様における導波管は、同軸導波管である。この場合、上述の装置は、同軸導波管の外部導体の凹部に配置されるようにするのが好ましい。

本導波管システムの別の一態様における導波管は、中空導体からなる導波管である。この場合、その中空導体に予定の振動モードを励起するべく、その中空導体の適所に高周波電力結合装置を配置するのが好ましい。

本導波管システムの一態様では、導波管は、高周波空洞に接続される。本装置によって生じ、導波管へ結合される高周波電力は、従って、有利なことに、その導波管を介して高周波空洞へと供給され得ることとなる。

本発明の上述した性質、特徴、利点は、それらが如何にして達成されるかという作用機構と共に、以下に記述される実施形態によって、より明確かつ詳しく理解され得ることとなるのであり、その実施形態は、次の図面と連携して、詳細に説明される。

高周波電力の１つの結合装置および１つの同軸導波管を有する導波管システムを、概略的に示す。 １つの中空導波管を有する導波管システムを、概略的に示す。 高周波電力の複数の結合装置を有する導波管システムを、概略的に示す。 複数の高周波電力結合装置を有する、他の導波管システムを、概略的に示す。 １つの空洞を有する導波管システムを、概略的に示す。

図１は、導波管システム１０を図式化して示している。この導波管システム１０は、同軸導波管１００と、その同軸導波管１００に高周波電力を結合する装置２００とを備えている。導波管システム１０は、例えば、高周波電力を発生して高周波空洞へと伝達するために使用される。高周波電力を受ける高周波空洞は、例えば、粒子加速器で荷電粒子を加速するために使用される。

図１は、同軸導波管１００の縦断面の短い一部分のみを示している。同軸導波管１００は、外部導体１０１を有しており、その外部導体１０１は、内部導体１０２と同軸に配置されて、その内部導体１０２を同心円状に取り囲んでいる。外部導体１０１および内部導体１０２は、それぞれ、導電材料から形成される。これらの外部導体１０１および内部導体１０２は、例えば、銅からなるものとすることが可能である。外部導体１０１は、好ましくは、円形断面を有する中空シリンダ状である。内部導体１０２は、好ましくは、円柱形である。それら外部導体１０１と内部導体１０２との間には、誘電体１０３が設けられている。同軸導波管１００の外部導体１０１は、開口１０４を有している。

高周波電力結合装置２００は、プッシュプル出力段２１０と、フィルタユニット２４０と、誘導ループ２７０とを備えている。図面においては、全ての部品は単に一例として概略的に示されている。プッシュプル出力段２１０は、高周波電力を発生するために使用される。フィルタユニット２４０は、インピーダンス変換を生じさせる。誘導ループ２７０は、発生した高周波電力を同軸導波管１００へ結合するために使用される。

プッシュプル出力段２１０は、第１入力端２１１と、第２入力端２１２と、第１出力端２１３と、第２出力端２１４と、接地端２１５とを有している。第１入力端２１１および第２入力端２１２を通してプッシュプル出力段２１０に、例えば正弦波入力信号が与えられて、第１入力端２１１と第２入力端２１２の極性が交互に反転される。プッシュプル出力段２１０は、第１出力端２１３および第２出力端２１４から、発生した高周波電力を出力する。

図示の概略例において、プッシュプル出力段２１０は、第１トランジスタ２２０と第２トランジスタ２３０とを有する。但し、プッシュプル出力段２１０は、別の要素を加えてあってもよい。第１トランジスタ２２０は、ｎチャンネル空乏層電界効果トランジスタとして形成され、ソース端子２２１と、ドレイン端子２２２と、ゲート端子２２３とを有する。第２トランジスタ２３０も同様に、ｎチャンネル空乏層電界効果トランジスタとして形成され、ソース端子２３１と、ドレイン端子２３２と、ゲート端子２３３とを有する。第１トランジスタ２２０のソース端子２２１および第２トランジスタ２３０のソース端子２３１は、接地端２１５に接続されている。第１トランジスタ２２０のゲート端子２２３は、プッシュプル出力段２１０の第１入力端２１１を形成する。第２トランジスタ２３０のゲート端子２３３は、プッシュプル出力段２１０の第２入力端２１２を形成する。第１トランジスタ２２０のドレイン端子２２２は、プッシュプル出力段２１０の第１出力端２１３を形成する。第２トランジスタ２３０のドレイン端子２３２は、プッシュプル出力段２１０の第２出力端２１４を形成する。

フィルタユニット２４０は、第１高調波フィルタ２５０と第２高調波フィルタ２６０とを備えている。第１高調波フィルタ２５０は、第１部品２５１と第２部品２５２とを備える。第２高調波フィルタ２６０は、第１部品２６１と第２部品２６２とを備える。第１高調波フィルタ２５０の第１部品２５１は、プッシュプル出力段２１０の第１出力端２１３に接続され、そして接地端２１５に接続され、かつ誘導ループ２７０の第１端子２７１に接続される。第１高調波フィルタ２５０の第２部品２５２は、プッシュプル出力段２１０の第２出力端２１４に接続され、そして接地端２１５に接続され、かつ誘導ループ２７０の第２端子２７２に接続される。第２高調波フィルタ２６０の第１部品２６１は、プッシュプル出力段２１０の第１出力端２１３に接続され、そして接地端２１５に接続される。第２高調波フィルタ２６０の第２部品２６２は、プッシュプル出力段２１０の第２出力端２１４に接続され、そして接地端２１５に接続される。

第１高調波フィルタ２５０は、個別要素または線区分からなるものとすることができる。第１高調波フィルタ２５０は、インピーダンス変換を生じせしめ、固定周波数に伴う第１高調波、つまり基本振動が、要求される固有の負荷インピーダンスにマッチングすると共に、第３高調波が、開放線終端または少なくともほぼ開放の線終端でのマッチングに適合するように機能する。これにより、第３高調波の反射率を値“１”に近付けることが可能となる。その反射率は、好ましくは、少なくとも０．８である。

フィルタユニット２４０の第１高調波フィルタ２５０によって生じるインピーダンス変換の効果により、プッシュプル出力段２１０のトランジスタ２２０，２３０は、開状態と閉状態との間を、高いエッジ急峻度で以て、スイッチングすることが可能となる。斯くして、有利なことに、プッシュプル出力段２１０のトランジスタ２２０，２３０におけるスイッチング損失が最小化される。

フィルタユニット２４０の第２高調波フィルタ２６０によって、固定周波数の第２高調波は、ほぼ短絡した線終端にマッチングすることとなる。斯くして、第２高調波は、値“−１”に近い反射率へと導かれる。この第２高調波の反射率は、好ましくは−０．８以下である。フィルタユニット２４０の第２高調波フィルタ２６０の効果によって、プッシュプル出力段２１０のトランジスタ２２０，２３０のスイッチング期間中にトランジスタ２２０，２３０に印加される電圧を、可能な限り低いものとすることができ、かつ、プッシュプル出力段２１０のトランジスタ２２０，２３０のスイッチング期間中に流れる電流を、可能な限り小さいものとすることができる。この方法によっても、有利なことに、プッシュプル出力段２１０のトランジスタ２２０，２３０におけるスイッチング損失が最小化される。

誘導ループ２７０は、高周波電力結合装置２００の結合プレート２８０に配置される。結合プレート２８０は、誘導ループ２７０が同軸導波管１００の外部導体１０１の内側の誘電体１０３の領域内に位置するように、同軸導波管１００の外部導体１０１の開口１０４に配置される。プッシュプル出力段２１０が生成した高周波電力は、高周波電力誘導ループ２７０によって生成される交番磁界の形で以て、同軸導波管１００内に結合されることとなる。その同軸導波管１００は、高周波電力を軸方向に導波することができる。

図２は、第２の実施形態に係る導波管システム２０を概略的に示している。この導波管システム２０においては、同軸導波管１００の代りに、中空導波管１１０が設けられている。中空導波管１１０の壁には、上述のものと同様の高周波電力結合装置２００が配置されている。この高周波電力結合装置２００は、高周波電力を生成して、それを中空導波管１１０へ結合するべく用いられる。中空導波管１１０の壁における装置２００の位置および向きに対応して異なる振動モードを、中空導波管１１０内に励起することができる。

図３は、第３の実施形態に係る導波管システム３０の概略を示している。この導波管システム３０は、同軸導波管１００を備えている。同軸導波管１００の外部導体１０１には複数の開口１０４が円周方向に設けられており、その開口１０４のそれぞれに、高周波電力結合装置２００が配置される。これら高周波電力結合装置２００のそれぞれは、高周波電力を生成し、その生成した高周波電力を同軸導波管１００へ結合するべく用いられる。

複数の装置２００を設けることによって、それらの総合で以て、より強い高周波電力を生成し、導波管１００へ結合することが可能となる。複数の装置２００を設けることによって、導波管システム３０が完全にダウンしてしまうリスクを減らすことが可能となる。１つあるいは複数の高周波電力結合装置２００が故障した場合でも、残りの装置２００で以て、高周波電力を同軸導波管１００へ結合し続けることが可能となる。

図４は、第４の実施形態に係る導波管システム４０の概略を示している。導波管システム４００は、同軸導波管１００を備えている。同軸導波管１００の外部導体１０１には、複数の開口１０４が、同軸導波管１００の軸方向に沿って設けられている。その開口１０４のそれぞれに、高周波電力結合装置２００が配置される。それら装置２００の各々は、高周波電力を生成して、それを同軸導波管１００へ結合するために使用される。

複数の装置２００の線形配置は、その総合によって、高周波電力結合装置２００が１つだけ設けられている場合よりも更に強められた高周波電力を、同軸導波管１００へ結合することを可能とする。また、さらには、複数の装置２００が設けられていることによって、導波管システム４０が完全にダウンしてしまうというリスクを減らすことが可能となる。

図５は、第５の実施形態に係る導波管システム５０の概略を示している。この導波管システム５０は、高周波電力を同軸導波管１００へ結合する装置２００を接続してなる同軸導波管１００を備えている。この導波管システム５０は、高周波空洞１２０も有する。空洞１２０は、空洞共振器とも称される。その空洞１２０は、一例として、粒子加速器の一部であり、荷電粒子を加速するために使用される。装置２００が、高周波電力を、同軸導波管１００に結合し、その同軸導波管１００を介して空洞１２０へと伝送して、その空洞１２０に供給するように、導波管システム５０が空洞１２０に接続されている。

本発明について、好適な実施形態を、詳細に図示しつつ例示として説明したが、本発明はそのような開示された例示のみには限定されない。当分野で通常の知識をもつ者であれば、本発明の保護範囲を逸脱することなしに、開示例から各種の変形を派生させることができる。

１０，２０，３０，４０，５０ 導波管システム
１００ 同軸導波管
１０１ 外部導体
１０２ 内部導体
１０３ 誘電体
１０４ 開口
１１０ 中空導波管
１２０ 空洞（高周波（ＨＦ）空洞：空洞共振器）
２００ 装置（高周波電力を導波管へ結合する装置：高周波電力結合装置）
２１０ プッシュプル出力段
２１１ 第１入力端
２１２ 第２入力端
２１３ 第１出力端
２１４ 第２出力端
２２０ 第１トランジスタ
２３０ 第２トランジスタ
２４０ フィルタユニット
２５０ 第１高調波フィルタ
２６０ 第２高調波フィルタ
２７０ 誘電ループ
２８０ 結合プレート

Claims (13)

1. 高周波電力を導波管（１００，１１０）へ結合する装置（２００）であって、
   入力端（２１１，２１２）および出力端（２１３，２１４）を有するプッシュプル出力段（２１０）と、
   前記プッシュプル出力段（２１０）の出力端（２１３，２１４）に接続されたフィルタユニット（２４０）と、
   前記フィルタユニット（２４０）に接続されており前記導波管（１００，１１０）の内側へ突出するように配置されたＵ字状の誘導ループ（２７０）と
   を備えた、高周波電力を導波管へ結合する装置。
2. 請求項１に記載の装置（２００）において、
   前記フィルタユニット（２４０）が、第１高調波フィルタ（２５０）と第２高調波フィルタ（２６０）とを備えた
   ことを特徴とする装置。
3. 請求項２に記載の装置（２００）において、
   前記第１高調波フィルタ（２５０）が、固定周波数の基本振動に対応した固定有限インピーダンスを提供するようにした
   ことを特徴とする装置。
4. 請求項３に記載の装置（２００）において、
   前記第１高調波フィルタ（２５０）が、前記固定周波数の第３高調波に対する開放線終端として機能する
   ことを特徴とする装置。
5. 請求項３または請求項４に記載の装置（２００）において、
   前記第２高調波フィルタ（２６０）が、前記固定周波数の第２高調波に対する短絡線終端として機能する
   ことを特徴とする装置。
6. 請求項３から５のいずれか１項に記載の装置（２００）において、
   前記フィルタユニット（２４０）が、前記固定周波数の第３高調波に対して少なくとも０．８の反射率を誘起する
   ことを特徴とする装置。
7. 請求項３から６のいずれか１項に記載の装置（２００）において、
   前記フィルタユニット（２４０）が、前記固定周波数の第２高調波に対して−０．８より小さい反射率を誘起する
   ことを特徴とする装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の装置（２００）において、
   当該装置（２００）は、結合プレート（２８０）をさらに備えており、
   前記結合プレート（２８０）に、前記誘導ループが設けられていて、
   前記結合プレート（２８０）が、前記導波管（１００，１１０）の壁（１０１）の開口（１０４）に配置されるように設定されている
   ことを特徴とする装置。
9. 導波管システム（１０、２０、３０、４０、５０）であって、
   導波管（１００，１１０）と、請求項１から８のいずれか１項に記載の装置（２００）と
   を有する導波管システム。
10. 請求項９に記載の導波管システム（３０、４０）であって、
    請求項１から８のいずれか１項に記載の装置（２００）を、２つ備えた
    ことを特徴とする導波管システム。
11. 請求項９または請求項１０に記載の導波管システム（１０、３０、４０、５０）であって、
    前記導波管（１００）が、同軸導波管である
    ことを特徴とする導波管システム。
12. 請求項９または請求項１０に記載の導波管システム（２０）であって、
    前記導波管（１１０）が、中空導体である
    ことを特徴とする導波管システム。
13. 請求項９から１２のいずれか１項に記載の導波管システム（５０）であって、
    前記導波管（１００）が、高周波空洞（１２０）に接続される
    ことを特徴とする導波管システム。

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