WO2012110112A1 - Hf-vorrichtung - Google Patents

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WO2012110112A1
WO2012110112A1 PCT/EP2011/067895 EP2011067895W WO2012110112A1 WO 2012110112 A1 WO2012110112 A1 WO 2012110112A1 EP 2011067895 W EP2011067895 W EP 2011067895W WO 2012110112 A1 WO2012110112 A1 WO 2012110112A1
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resonant
shield
wall
generator
slot
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Application number
PCT/EP2011/067895
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English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Heid
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/02—Circuits or systems for supplying or feeding radio-frequency energy
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/14—Vacuum chambers
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    • H05H7/22—Details of linear accelerators, e.g. drift tubes
    • H05H2007/227—Details of linear accelerators, e.g. drift tubes power coupling, e.g. coupling loops

Definitions

  • the invention relates to an HF device with an HF cavity delimited by an outer wall and an HF generator arranged on the outer wall with a coupling device.
  • the RF generator couples an electromagnetic field into the interior of the RF cavity via a gap formed in the outer wall.
  • the shield is resonant and has a high impedance at the generator frequency.
  • RF cavities which serve as resonators for high-frequency electromagnetic fields, are typically hollow bodies with an electrically conductive outer wall.
  • An RF generator arranged outside the cavity generates electromagnetic radiation of high frequency, which is coupled into the interior of the cavity via an opening in the outer wall of the cavity.
  • alternating current generated by the generator alternating currents are induced, among other things propagate along the inside of the outer wall in the form of current paths.
  • defects ⁇ th inside the RF cavity can of the generator frequency and the wave properties of the cavity.
  • currents to the outside of the Au ⁇ ]wand induced by the arrangement of the RF generator outside the cavity, through which the coupled into the cavity power and thus the efficiency of the cavity can be reduced.
  • an RF device comprising an RF resonant device with an electrically conductive outer wall
  • the outer wall comprises a gap.
  • the gap may extend at least partially along the circumference of the outer wall or around the entire circumference.
  • the RF device further comprises a coupling device with an RF generator arranged on the outside of the outer wall of the RF resonant device in the region of the gap for coupling an RF radiation of a specific frequency via the gap into the interior of the RF resonant device and with a Generator shielding the outside and the gap on the outside of the outer wall electrically bridging shield.
  • the shield is designed as a resonator with a high impedance for the frequency of the generator. The high impedance causes less power than the Ab ⁇ shielding flows.
  • the formation of the shield in the form of the resonator allows in a simple manner high Im ⁇ pedanzen and thus a very efficient coupling of the RF radiation in the resonance device. Since no RF currents occur on the outside of the cavity due to the shield, the handling of the HF device is safer overall. Furthermore, an RF cavity maintained at ground potential is more compatible with other devices.
  • One disclosed embodiment provides that the resonant having formed ⁇ te shield which differs from the generator frequency resonant frequency is tuned. As a result, the waveguide resistance and thus the behavior of the resonant shield during operation can be set differently depending on the application.
  • the shield is tuned to a resonant frequency above the generator frequency. This effectively prevents a resonant mode with low impedance from being produced at the generator frequency in the shield designed as a resonator.
  • the capacitive and the inductive properties of the shield are tuned such that forms a standing electromagnetic wave with a current node in the region of the gap in the shield at the generator frequency. This a very high impedance input side of the From ⁇ shielding is achieved.
  • the resonance device is designed in such a way that the resonance device has a current dip in the region of the slot.
  • the resonant device has a low impedance to the frequency of the RF radiation.
  • the slot is bounded by opposed edges, the Kan ⁇ th component having a direction perpendicular to the wall-flow of the ge ⁇ desired resonant mode of the RF power.
  • the electrical line length of the shield substantially corresponds to a quarter of the wavelength of the electromagnetic wave generated by the generator. This line length represents a particularly advantageous embodiment since the coordination of the shielding in this case is simpler.
  • the RF resonant device is designed as an HF cavity. Due to their high quality, HF cavities are particularly well suited for generating resonant electromagnetic waves.
  • a further embodiment provides that the RF resonant device is designed as a coaxial, one-way connection.
  • Such coaxial waveguides can be used particularly flexibly.
  • the generator has a plurality of resonances along the circumference of the HF resonator. comprises distributed arranged transistor modules. By means of such transistor modules, electromagnetic fields can be generated directly at the resonance device. This allows a particularly effective coupling of electromagnetic radiation.
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through the HF cavity from FIG. 1 with a detailed illustration of the coupling device
  • FIG. 4 shows a cross section through that shown in FIG
  • FIG. 5 shows a simplified model illustration of the shielding serving as waveguide for the HF radiation
  • FIG. 6 shows a current distribution diagram to illustrate the current strengths occurring along the shield formed as a ⁇ / 4 waveguide with a current node lying in the region of the gap;
  • FIG. 7 shows an HF device with an RF resonant device designed as a coaxial line;
  • FIG. 8 shows a further embodiment of an HF device
  • FIG. 9 shows a cross section through the further HF device
  • FIG. 10 shows a cross section through the coupling device
  • FIG. 11 is a schematic representation of the coupling device in the region of the slot, FIG.
  • FIG. 12 shows a further embodiment with HF device
  • FIG. 13 shows a schematic representation of the current density I in FIG
  • FIG. 1 shows a side view of a first embodiment of an HF device 100.
  • the device 100 comprises a cylindrical RF cavity 110 with a metallic Au ⁇ outer wall, which serves as a resonant device for RF radiation of a given frequency.
  • a coupling device 130 for coupling RF power into the RF cavity 110 is arranged.
  • FIG. 2 shows the HF device 100 from FIG. 1 in a front view.
  • the coupling device 130 extends along the entire circumference of the RF cavity 110.
  • the coupling-in device 130 may also extend over only a part of the circumference of the HF cavity 110.
  • a plurality of coupling devices 130 extending over only part of the circumference can also be arranged along the circumference of the HF cavity 110.
  • FIG. 3 shows a longitudinal section
  • FIG. 4 shows a cross section of the HF device 100 according to the invention shown in FIG.
  • the metallic outer wall 111 of the HF cavity 110 has a gap 114 extending along the circumference of the HF cavity 110 in the region of the coupling device 130.
  • the gap 114 divides the outer wall 111 in the following example in a first and a second wall portion 115, 116.
  • a Iso ⁇ lierring 120 is made of an electrically non-conductive material.
  • the annular insulation 120 can also form a vacuum seal at the same time.
  • the ends of the two wall sections 115, 116 are each formed in the form of a flange 117, 118.
  • the angeord- on the outer side 113 of the Kavticiansau dockand 111 designated coupling device 130 includes a arranged in the region of the gap 114 and a generator 131 the generator completely enveloping metallic shield 134.
  • the RF to generate a radiation of a predetermined frequency f G formed generator 131 preferably comprises a plurality of distributed along the circumference arranged transistor modules 132.
  • the individual transistor modules 132 are arranged in spe ⁇ cial recesses in the two flanges 117, 118 and therefore are in direct contact with the outer wall 111. This arrangement allows takes place a higher RF power as egg ⁇ neminte the area for coupling the HF radiation is relatively large, and on the other hand the generation of the RF radiation ⁇ di rectly where the power is needed.
  • the transistor modules 132 are connected via connecting lines 133 to a DC current source or control device (not illustrated here).
  • a DC current source or control device not illustrated here.
  • the solid-state transistors of the modules Upon activation of the solid-state transistors of the modules generate electromagnetic alternating fields 132, which in turn is cute along the outer wall 111 propagating alternating currents in ⁇ . Due to the high frequency, the alternating currents occur only in relatively thin edge layers on the inside and the outside of the metallic outer wall 111.
  • the impedance of the current path on the outer side 113 of the cavity 110 should be as high as possible. This is achieved by the specially formed shield 134 and the gap 114, which forms a high impedance at the resonant frequency of the RF cavity 110.
  • the shield 134 is electrically connected to the outer wall 111. As shown in FIG. 3, the metallic shielding 134 electrically bridges the gap 114 and thus forms a short circuit between the two wall sections 115, 116. Since the induced alternating currents occur only in the outer layer 111 outer layer, while the inner region of the outer wall 111 Metallic outer wall 111 is substantially free of flow and field, is generated by the short circuit generated by the shield only along the outside 113 of Kavticiansau- Exterior wall 111 propagating alternating current influenced.
  • the wide on the outside 113 of the Kavticiansau collapand 111 in ⁇ flows along the inner side 135 of the shield 134 forming panels 136, 137, 138, while the Kavticiansau touchwand 111 outside the shield 134 is substantially current- or voltage.
  • the shield 134 is formed resonantly.
  • the waveguide properties of the coupling device 130 are adjusted so that for the inside of the shield
  • FIG. 4 shows a cross section through the arrangement shown in Figure 3.
  • FIG. 5 shows a greatly simplified equivalent circuit diagram of the shield 134.
  • the shield 134 is regarded as a short-circuited waveguide.
  • the two left terminals 301, 307 correspond to the feeding points of the RF radiation in the region of the gap.
  • the upper Lei ⁇ line section 302 substantially through the left side wall 136 of the shield 134, the inside the shield 134 arranged portion of the first outer wall portion 115 and a portion of the upper ceiling wall 137 of the shield formed.
  • the lower line section 306 in the equivalent circuit 300 shown here is formed by the right side wall 136 of the shield 134, the part of the second outer wall section 116 arranged inside the shield 134, and a part of the upper ceiling wall 137 of the shield 134.
  • the capacitance C is essentially determined by the capacitive properties of the coupling-in device 130, which depend both on the geometry of the shielding 134 formed of copper, for example, and on the material properties of the volume enclosed by the shielding 134. By contrast, depends the one shown in the equivalent circuit in productivity ⁇ L, among others, the electrical line length from the turn of various factors such. B. the geometric length of cable depends.
  • the total inductance is determined by the inductances of the individual sections of the distance traveled by the current. As further indicated in FIG.
  • the equivalent circuit 300 illustrated here is short-circuited at outputs 303, 305, since the two line strands which are symmetrical in the following case are electrically connected to one another via the ceiling element 138 of the shield 134.
  • the ratio of the electrical line length of the short-circuited line to the wavelength ⁇ of the RF radiation generated by the generator 131 determines whether the U-shaped line such as a capacitance, an inductance or a resonant circuit ver ⁇ holds.
  • the circuit forms a parallel resonant circuit with the resonant wavelengths ⁇ , ⁇ / 3, ⁇ / 5, etc.
  • a current node in the region of the gap 114 a In the special case that the electrical line length is a quarter of the wavelength ⁇ of the propagating on the inside of the shield 134 current waves, the circuit forms a parallel resonant circuit with the resonant wavelengths ⁇ , ⁇ / 3, ⁇ / 5, etc.
  • a current node in the region of the gap 114 a In the special case that the electrical line length is a quarter of the wavelength ⁇ of the propagating on the inside of the shield 134 current waves, the circuit forms a parallel resonant circuit with the resonant wavelengths ⁇ , ⁇ / 3, ⁇ / 5, etc.
  • the input impedance of the resonant circuit formed by the shielding From ⁇ approaches infinity, so that the power dissipated by the generator RF power into a very low-impedance RF cavity is coupled almost completely.
  • the cable length of the shield must be per ⁇ but not optimal to ⁇ / 4 matched.
  • the input impedance of the resonant circuit formed by the shield is significantly higher than the input impedance of the RF cavity fails.
  • the induced current is mainly spread on the inner side 112 of the outer wall ⁇ 111th
  • an optical ⁇ male coupling of the RF power can be obtained in the RF cavity.
  • FIG. 6 shows the current profile along the ⁇ / 4 line formed by the shield 134. It can be seen here that the current intensity runs sinusoidally with a minimum at the input (x 0 ) and a maximum at the end (xi) of the line.
  • FIG. 7 shows an HF device in which the coupling device 130 previously shown in connection with an HF cavity is used for coupling in electrical energy to a coaxially conductive connection.
  • the generator 131 and the generator extends surrounding shield 134 along the outer periphery of the outer ⁇ conductor 111 of the coaxial connector 110.
  • sectional view of the typical coaxial compounds inner conductor 120 is also shown.
  • FIGS. 1 to 4 In order to achieve higher RF powers, several of the RF cavities shown in FIGS. 1 to 4 can be connected in series, in order, for example, to realize a particle accelerator.
  • the individual cavities 110 can be controlled separately.
  • the coupling-in devices 130 of the four HF cavities 100 are coupled via separate lines to a common control or voltage supply device. Since the wall currents can propagate only along the inside of the cavity walls, the interconnected cavities 110 are RF decoupled from one another on the outside. Therefore, despite the DC connection, they can be independently controlled.
  • the invention is not limited to the embodiments shown here by way of example. Rather, the fiction, modern ⁇ concept can be applied to any suitable RF structure to be coupled to the wall flows into the inside and shielded from the outside.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of an HF device 100, in which the RF resonant device 110 has a plurality of slits 114 arranged separately from one another. Each slot 114 is associated with a coupling device 130.
  • the coupling devices 130 are designed in accordance with the coupling device 130 of FIGS. 1 to 4, wherein each coupling device 130 has at least one generator 131 and one transistor module 132.
  • the ⁇ A coupling means 130 are supplied by a control unit 500 via corresponding terminals 133 with electricity and controlled for delivery of RF power.
  • Each injector 130 may include one or more generators.
  • FIG. 9 shows a cross section through the arrangement of FIG. 8 perpendicular to the longitudinal extent of the RF resonant device 110.
  • FIG. 10 shows a cross section in the longitudinal direction of the RF resonant device 110 through a coupling device 130 and a section of the outer wall 111.
  • Figure 11 shows a schematic representation of a
  • the slot 114 is bounded by the first and second flanges 117, 118.
  • the first and the second flange are formed in such a way that the first and the second flange 117, 118 each have a direction component perpendicular to the wall ⁇ current of the desired resonance mode.
  • the RF current generated by the RF generator is injected into the first and second flanges 117, 118 of the slot 114. Both spaces are formed so that the electromagnetic power injected into the slot mainly branches into the RF resonance device 110. This is supported by the formation of the first and second flanges 117, 118.
  • the RF frequency of the generator has a frequency which comes close to a resonant frequency of the RF resonant device or corresponds.
  • the slot 114 of the RF resonant device is located near a current amplitude of the resonant mode of the RF resonant device.
  • the RF resonant device 110 becomes low-ohmic at the resonant frequency compared to the second space.
  • the impedance of the second space for the RF frequency output by the RF generator is at least ten times greater than the impedance of the RF resonant device.
  • no resonant frequency of the second space is close to the frequency of the RF generator.
  • the second chamber is such geometric especiallybil ⁇ det that the second chamber is transparent to the generated from the feed ⁇ current electromagnetic field, wherein the Ab ⁇ shielding example, as a normal-conducting metal in egg ⁇ ner DC power supply or by one or more coaxial cable for Supply of electricity is formed.
  • the second space is formed as an extension of the space between the jacket and inner conductor of the coaxial cable from ⁇ .
  • the electrically conductive jacket of the coaxial cable is connected to the wall of the shielding.
  • FIG. 12 shows a further embodiment of the RF resonant device 110 in a schematic representation, in which the slots 114 are arranged along the longitudinal direction of the RF resonant device 110 and parallel to one another. Each slot is a coupling device 130 according to the
  • the RF generators couple the RF power into the long sides and / or the transverse sides of the slots 114.
  • the front and rear transverse edges 170, 172 of the slots 114 are preferably arranged in a front or rear plane perpendicular to the longitudinal side of the RF resonant device 110.
  • the front and rear transverse edges or the longitudinal sides of the slots have corresponding first and second flanges 117, 118 according to FIG.
  • FIG. 13 shows a schematic representation of the current density I in the wall of the RF resonant device 110 in the region of the slot 114.
  • the HF currents are fed from the generator 131 (not shown) via the flanges 117, 118. Due to the limited formation of the slit 114 being ⁇ sufficient that the sides of the slot 114 to flow in the resonant mode of the RF resonant device 110 flows substantially on the bottom of the outer wall 111th This is achieved in that the areas laterally of the slot 114 each represent a first or second inductance LI, L2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine HF-Vorrichtung (100) umfassend: - eine HF-Resonanzeinrichtung (110) mit einer elektrisch leitenden Außenwand (111), wobei die Außenwand (111) einen Schlitz (114) umfasst und - eine Einkopplungseinrichtung (130) mit einem an der Außenseite (113) der Außenwand (111) der HF-Resonanzeinrichtung (110) im Bereich des Schlitzes (114) angeordneten HF-Generator (131) zum Einkoppeln einer HF-Strahlung einer bestimmten Generator-Frequenz (fG) über den Schlitz (114) in das Innere der HF-Resonanzeinrichtung (110), und einer den Generator (131) nach außen abschirmenden und den Schlitz (114) an der Außenseite (113) der Außenwand (111) elektrisch überbrückenden Abschirmung (134), wobei die Abschirmung (134) als Resonator mit einer höheren Impedanz für die Generator-Frequenz (fG) ausgebildet ist als die Resonanzeinrichtung.

Description

Beschreibung HF-Vorrichtung Die Erfindung betrifft eine HF-Vorrichtung mit einer von einer Außenwand begrenzten HF-Kavität und einem an der Außenwand angeordneten HF-Generator mit einer Einkopplungseinrich- tung. Der HF-Generator koppelt dabei über einen in der Außenwand ausgebildeten Spalt ein elektromagnetisches Feld in das Innere der HF-Kavität ein. Die Abschirmung ist dabei resonant ausgebildet und weist bei der Generator-Frequenz eine hohe Impedanz auf.
Bei HF-Kavitäten, die als Resonatoren für hochfrequente elektromagnetische Felder dienen, handelt es sich typischerweise um Hohlkörper mit einer elektrisch leitenden Außenwand. Ein außerhalb der Kavität angeordneter HF-Generator erzeugt eine elektromagnetische Strahlung hoher Frequenz, die über eine Öffnung in der Außenwand der Kavität in das Innere der Kavität eingekoppelt wird. Durch die vom Generator erzeugten elektromagnetischen Wechselfelder werden u. a. Wechselströme induziert, die sich entlang der Innenseite der Außenwand in Form von Strompfaden fortpflanzen. Abhängig von der Generator-Frequenz und den Welleneigenschaften der Kavität können im Inneren der HF-Kavität verschiedene Resonanzmoden auftre¬ ten. Allerdings werden durch die Anordnung des HF-Generators außerhalb der Kavität auch Ströme an der Außenseite der Au¬ ßenwand induziert, durch die die in die Kavität eingekoppelte Leistung und damit die Effizienz der Kavität reduziert werden kann.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine möglichst effektive Einkopplung der HF-Strahlung in die HF-Kavität zu erreichen. Diese Aufgabe wird durch eine HF-Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Aus führungs formen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Gemäß der Erfindung ist eine HF-Vorrichtung umfassend eine HF-Resonanzeinrichtung mit einer elektrisch leitenden Außenwand vorgesehen, wobei die Außenwand einen Spalt umfasst. Der Spalt kann sich wenigstens teilweise entlang des Umfangs der Außenwand oder um den gesamten Umfang erstrecken. Die HF- Vorrichtung umfasst ferner eine Einkopplungseinrichtung mit einem an der Außenseite der Außenwand der HF-Resonanzeinrichtung im Bereich des Spalts angeordneten HF-Generator zum Einkoppeln einer HF-Strahlung einer bestimmten Frequenz über den Spalt in das Innere der HF-Resonanzeinrichtung und mit einer den Generator nach außen abschirmenden und den Spalt an der Außenseite der Außenwand elektrisch überbrückenden Abschirmung. Die Abschirmung ist dabei als Resonator mit einer hohen Impedanz für die Frequenz des Generators ausgebildet. Die hohe Impedanz bewirkt, dass weniger Strom über die Ab¬ schirmung fließt. Die Ausbildung der Abschirmung in Form des Resonators ermöglicht dabei auf eine einfache Weise hohe Im¬ pedanzen und damit eine sehr effiziente Einkopplung der HF- Strahlung in die Resonanzeinrichtung. Da durch die Abschirmung keine HF-Ströme auf der Kavitätsaußenseite auftreten, ist der Umgang mit der HF-Vorrichtung insgesamt sicherer. Ferner lässt sich eine auf Massepotential gehaltene HF- Kavität verträglicher mit anderen Vorrichtungen kombinieren.
Eine Aus führungs form sieht vor, dass die resonant ausgebilde¬ te Abschirmung auf eine von der Generator-Frequenz abweichende Resonanzfrequenz abgestimmt ist. Hierdurch kann der Wellenleitungswiderstand und damit das Verhalten der resonanten Abschirmung im Betrieb je nach Anwendung unterschiedlich eingestellt werden.
Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass die Abschirmung auf eine Resonanzfrequenz oberhalb der Generator-Frequenz abgestimmt ist. Hierdurch wird wirkungsvoll verhindert, dass bei der Generator-Frequenz in der als Resonator ausgebildeten Abschirmung ein Resonanzmode mit geringer Impedanz entsteht.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist vorgesehen, dass die kapazitiven und die induktiven Eigenschaften der Abschirmung derart abgestimmt sind, dass sich in der Abschirmung bei der Generator-Frequenz eine stehende elektromagnetische Welle mit einem Stromknoten im Bereich des Spalts ausbildet. Dadurch wird eine möglichst hohe eingangsseitige Impedanz der Ab¬ schirmung erreicht.
Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass die Resonanzeinrichtung in der Weise ausgebildet ist, dass die Resonanzein¬ richtung im Bereich des Schlitzes einen Strombauch aufweist. Somit weist die Resonanzeinrichtung eine geringe Impedanz für die Frequenz der HF-Strahlung auf.
Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass der Schlitz durch gegenüber liegende Kanten begrenzt ist, wobei die Kan¬ ten eine Richtungskomponente senkrecht zum Wandstrom des ge¬ wünschten Resonanzmodes der HF-Leistung aufweisen.
In einer weiteren Aus führungs form ist vorgesehen, dass die elektrische Leitungslänge der Abschirmung im Wesentlichen einem Viertel der Wellenlänge der vom Generator erzeugten elektromagnetischen Welle entspricht. Diese Leitungslänge stellt eine besonders günstige Aus führungs form dar, da sich die Abstimmung der Abschirmung in diesem Fall einfacher gestaltet .
Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass die HF-Resonanzeinrichtung als eine HF-Kavität ausgebildet ist. HF-Kavitäten eignen sich aufgrund ihrer hohen Güte besonders gut zur Erzeugung resonanter elektromagnetischer Wellen.
Eine weitere Aus führungs form sieht vor, dass die HF-Resonanzeinrichtung als eine koaxiale 1eitende Verbindung ausgebildet ist. Solche koaxialen Wellenleiter können besonders flexibel eingesetzt werden.
In einer weiteren Aus führungs form ist vorgesehen, dass der Generator mehrere entlang des Umfangs der HF-Resonanz- einrichtung verteilt angeordnete Transistormodule umfasst. Mithilfe solcher Transistormodule können elektromagnetische Felder direkt an der Resonanzeinrichtung erzeugt werden. Dies ermöglicht eine besonders effektive Einkopplung elektromagne- tischer Strahlung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen: Figuren 1 und 2 schematisch eine zylinderförmige HF-
Kavität mit einer entlang ihres Umfangs angeordne¬ ten Einkopplungseinrichtung zur Einkopplung von HF- Strahlung in die HF-Kavität,
Figur 3 einen Längsschnitt durch die HF-Kavität aus Figur 1 mit detaillierter Darstellung der Einkopplungseinrichtung,
Figur 4 einen Querschnitt durch die in der Figur 3 gezeigte
HF-Vorrichtung entlang der Linie IV-IV,
Figur 5 eine vereinfachte Modelldarstellung der für die HF- Strahlung als Wellenleiter dienenden Abschirmung,
Figur 6 ein Stromverteilungsdiagramm zur Verdeutlichung der entlang der als λ/4 Wellenleitung ausgebildeten Abschirmung auftretenden Stromstärken mit einem im Bereich des Spalts liegenden Stromknoten, Figur 7 eine HF-Vorrichtung mit einer als koaxiale Leitung ausgebildeten HF-Resonanzeinrichtung,
Figur 8 eine weitere Ausführung einer HF-Vorrichtung,
Figur 9 einen Querschnitt durch die weitere HF-Vorrichtung, Figur 10 einen Querschnitt durch die Einkopplungseinrich- tung,
Figur 11 eine schematische Darstellung der Einkopplungseinrichtung im Bereich des Schlitzes,
Figur 12 eine weitere Ausbildung mit HF-Einrichtung und Figur 13 eine schematische Darstellung der Stromdichte I im
Bereich des Schlitzes.
Figur 1 zeigt eine Seitenansicht einer ersten Aus führungs form einer HF-Vorrichtung 100. Die Vorrichtung 100 umfasst dabei eine zylindrische HF-Kavität 110 mit einer metallischen Au¬ ßenwand, die als Resonanzeinrichtung für eine HF-Strahlung einer bestimmten Frequenz dient. Entlang des Umfangs der HF- Kavität 110 ist eine Einkopplungseinrichtung 130 zum Einkop- peln von HF-Leistung in die HF-Kavität 110 angeordnet.
In Figur 2 ist die HF-Vorrichtung 100 aus Figur 1 in einer Frontansicht dargestellt. Hierbei wird deutlich, dass sich die Einkopplungseinrichtung 130 entlang des gesamten Umfangs der HF-Kavität 110 erstreckt. Je nach Anwendung kann sich die Einkopplungseinrichtung 130 auch nur über einen Teil des Umfangs der HF-Kavität 110 erstrecken. Ferner können auch mehrere, sich nur über einen Teil des Umfangs erstreckende Ein- kopplungseinrichtungen 130 entlang des Umfangs der HF-Kavität 110 angeordnet sein.
Die Einkopplungseinrichtung 130 wird im Folgenden anhand von Schnitten näher erläutert. Hierzu zeigt die Figur 3 einen Längsschnitt und die Figur 4 einen Querschnitt der in der Fi- gur 1 gezeigten erfindungsgemäßen HF-Vorrichtung 100.
Wie in Figur 3 gezeigt ist, weist die metallische Außenwand 111 der HF-Kavität 110 im Bereich der Einkopplungseinrichtung 130 einen sich entlang des Umfangs der HF-Kavität 110 erstre- ckenden Spalt 114 auf. Der Spalt 114 unterteilt die Außenwand 111 im folgenden Beispiel in einen ersten und einen zweiten Wandabschnitt 115, 116. Innerhalb des Spalts 114 ist ein Iso¬ lierring 120 aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material angeordnet. Die ringförmige Isolierung 120 kann auch gleich- zeitig eine Vakuumdichtung bilden. Die Enden der beiden Wandabschnitte 115, 116 sind jeweils in Form eines Flansches 117, 118 ausgebildet.
Die an der Außenseite 113 der Kavitätsaußenwand 111 angeord- nete Einkopplungseinrichtung 130 umfasst einen im Bereich des Spalts 114 angeordneten Generator 131 sowie eine den Generator komplett umhüllende metallische Abschirmung 134. Der zur Erzeugung einer HF-Strahlung einer bestimmten Frequenz fG ausgebildete Generator 131 umfasst dabei vorzugsweise mehrere entlang des Umfangs verteilt angeordnete Transistormodule 132. Die einzelnen Transistormodule 132 sind dabei in spe¬ ziellen Aussparungen in den beiden Flanschen 117, 118 ange- ordnet und stehen daher in direktem Kontakt mit der Außenwand 111. Diese Anordnung erlaubt eine höhere HF-Leistung, da ei¬ nerseits die Fläche zur Einkopplung der HF-Strahlung relativ groß ist und andererseits die Erzeugung der HF-Strahlung di¬ rekt dort stattfindet, wo die Leistung benötigt wird.
Wie in der Figur 3 gezeigt ist, sind die Transistormodule 132 über Verbindungsleitungen 133 mit einer hier nicht dargestellten DC-Stromquelle bzw. Steuereinrichtung verbunden. Bei einer Aktivierung erzeugen die Festkörper-Transistoren der Module 132 elektromagnetische Wechselfelder, welche wiederum sich entlang der Außenwand 111 ausbreitende Wechselströme in¬ duzieren. Aufgrund der hohen Frequenz treten die Wechselströme dabei lediglich in relativ dünnen Randschichten auf der Innen- und der Außenseite der metallischen Außenwand 111 auf. Um zu erreichen, dass sich von den induzierten Wechselströmen so viele wie möglich entlang der Innenseite 112 der HF- Kavität 110 ausbreiten, ist vorgesehen, die Impedanz des Strompfads an der Außenseite 113 der Kavität 110 möglichst hoch auszubilden. Dies wird durch die speziell ausgebildete Abschirmung 134 sowie den Spalt 114, der eine hohe Impedanz bei der Resonanzfrequenz der HF-Kavität 110 bildet, erreicht.
Um eine Ausbreitung der HF-Ströme entlang der Außenseite 113 der Außenwand 111 zu unterbinden, ist die Abschirmung 134 elektrisch mit der Außenwand 111 verbunden. Wie in Figur 3 dargestellt ist, überbrückt die metallische Abschirmung 134 den Spalt 114 dabei elektrisch und stellt so einen Kurzschluss zwischen den beiden Wandabschnitten 115, 116 dar. Da die induzierten Wechselströme nur in der Randschicht der Au- ßenwand 111 auftreten, während der Innenbereich der metallischen Außenwand 111 im Wesentlichen ström- und feldfrei ist, wird durch den mittels der Abschirmung erzeugten Kurzschluss lediglich der sich entlang der Außenseite 113 der Kavitätsau- ßenwand 111 ausbreitende Wechselstrom beeinflusst. So breiten sich die an der Außenseite 113 der Kavitätsaußenwand 111 in¬ duzierten Ströme entlang der Innenseite 135 der die Abschirmung 134 bildenden Bleche 136, 137, 138 aus, während die Ka- vitätsaußenwand 111 außerhalb der Abschirmung 134 praktisch ström- bzw. spannungslos ist. Um die Einkopplung der HF- Ströme in das Innere der HF-Kavität 110 zu optimieren, ist die Abschirmung 134 resonant ausgebildet. Hierzu werden die Wellenleitungseigenschaften der Einkopplungseinrichtung 130 so abgestimmt, dass sich für die im Inneren der Abschirmung
134 ausbreitenden Wechselströme im Bereich des Spalts 114 eine möglichst hohe Impedanz ergibt.
Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch die in Figur 3 gezeigte HF-Kavität 100 entlang der Linie IV- IV. Hieraus wird ersicht¬ lich, dass die entlang des Umfangs der Außenwand 111 der Ka- vität 110 angeordneten Transistormodule 132 in entsprechenden Aussparungen der Flansche 117, 118 untergebracht sind. Figur 5 zeigt ein stark vereinfachtes Ersatzschaltbild der Abschirmung 134. Dabei wird die Abschirmung 134 als eine kurzgeschlossene Wellenleitung betrachtet. In diesem Fall entsprechen die beiden linken Anschlüsse 301, 307 den Einspeisepunkten der HF-Strahlung im Bereich des Spalts. Die beiden oberen und unteren Leitungsabschnitte 302, 306 entsprechen hingegen den beiden im Wesentlichen symmetrischen Strompfaden der hier betrachteten Wechselströme entlang der Innenseite 135 der Abschirmung 134. Dabei wird der obere Lei¬ tungsabschnitt 302 im Wesentlichen durch die linke Seitenwand 136 der Abschirmung 134, dem innerhalb der Abschirmung 134 angeordneten Teil des ersten Außenwandabschnitts 115 sowie einem Teil der oberen Deckenwand 137 der Abschirmung gebildet. Analog hierzu wird der untere Leitungsabschnitt 306 in dem hier gezeigten Ersatzschaltbild 300 durch die rechte Sei- tenwand 136 der Abschirmung 134, den innerhalb der Abschirmung 134 angeordneten Teil des zweiten Außenwandabschnitts 116 sowie einen Teil der oberen Deckenwand 137 der Abschirmung 134 gebildet. Die Kapazität C wird im Wesentlichen durch die kapazitiven Eigenschaften der Einkoppelvorrichtung 130 bestimmt, die sowohl von der Geometrie der beispielsweise aus Kupfer gebilde- ten Abschirmung 134 als auch von den Materialeigenschaften des von der Abschirmung 134 eingeschlossenen Raumvolumens abhängen. Hingegen hängt die im Ersatzschaltbild gezeigte In¬ duktivität L unter anderem von der elektrischen Leitungslänge ab, die wiederum von verschiedenen Faktoren, wie z. B. der geometrischen Leitungslänge abhängt. Die Gesamtinduktivität wird dabei durch die Induktivitäten der einzelnen Abschnitte der vom Strom zurückgelegten Wegstrecke bestimmt. Wie in der Figur 5 ferner mittels der gestrichelten Linie 304 angedeutet ist, ist die hier dargestellte Ersatzschaltung 300 an Ausgän- gen 303, 305 kurzgeschlossen, da die beiden im folgenden Fall symmetrischen Leitungsstränge über das Deckenelement 138 der Abschirmung 134 elektrisch miteinander verbunden sind. Dabei bestimmt das Verhältnis der elektrischen Leitungslänge der kurzgeschlossenen Leitung zur Wellenlänge λ der vom Generator 131 erzeugten HF-Strahlung, ob sich die U-förmige Leitung wie eine Kapazität, eine Induktivität oder ein Schwingkreis ver¬ hält. In dem Spezialfall, dass die elektrische Leitungslänge ein Viertel der Wellenlänge λ der sich an der Innenseite der Abschirmung 134 fortpflanzenden Stromwellen beträgt, bildet die Schaltung einen Parallel-Schwingkreis mit den Resonanzwellenlängen λ, λ/3, λ/5 usw. Bei einer entsprechend auf ein Viertel der Wellenlänge λ abgestimmten Abschirmung 134 stellt sich für den Stromanteil der elektromagnetischen Welle somit ein Stromknoten im Bereich des Spalts 114 ein.
Im Resonanzfall geht die Eingangsimpedanz des von der Ab¬ schirmung gebildeten Resonanzkreises gegen unendlich, so dass die vom Generator dissipierte HF-Leistung fast vollständig in die eine möglichst niedrige Impedanz aufweisende HF-Kavität eingekoppelt wird. Die Leitungslänge der Abschirmung muss je¬ doch nicht optimal auf λ/4 abgestimmt sein. Je nach Anwendung kann es bereits genügen, wenn die Eingangsimpedanz des von der Abschirmung gebildeten Schwingkreises deutlich höher als die Eingangsimpedanz der HF-Kavität ausfällt. Auch in diesem Fall wird sich der induzierte Strom vorwiegend auf der Innen¬ seite 112 der Außenwand 111 ausbreiten. Somit kann eine opti¬ male Einkopplung der HF-Leistung in die HF-Kavität erzielt werden .
Die Figur 6 zeigt zur Verdeutlichung den Stromverlauf entlang der durch die Abschirmung 134 gebildeten λ/4-Leitung. Hierbei wird ersichtlich, dass die Stromstärke sinusförmig mit einem Minimum am Eingang (x0) und einem Maximum am Ende ( x i ) der Leitung verläuft.
Das hier gezeigte erfindungsgemäße Konzept kann grundsätzlich auf alle HF-Kavitäten sowie auf andere resonante Wellenlei¬ terstrukturen, wie z.B. auf eine koaxiale Leitung oder eine Re-Entrant-Cavity, übertragen werden. So zeigt die Figur 7 eine HF-Vorrichtung, bei der die zuvor in Zusammenhang mit einer HF-Kavität gezeigte Einkopplungseinrichtung 130 zum Einkoppeln von elektrischer Energie an einer koaxial leitenden Verbindung verwendet wird. Wie in der Figur 7 gezeigt ist, erstreckt sich der Generator 131 sowie die den Generator umgebende Abschirmung 134 entlang des Außenumfangs des Außen¬ leiters 111 der koaxialen Verbindung 110. In der hier gezeigten Schnittdarstellung ist ebenfalls der für koaxiale Verbindungen typische Innenleiter 120 gezeigt.
Um höhere HF-Leistungen zu erreichen, lassen sich mehrere der in den Figuren 1 bis 4 gezeigten HF-Kavitäten hintereinander schalten, um beispielsweise einen Teilchenbeschleuniger zu realisieren. Die einzelnen Kavitäten 110 lassen sich dabei separat ansteuern. Hierzu sind die Einkopplungseinrichtungen 130 der vier HF-Kavitäten 100 über separate Leitungen an eine gemeinsame Steuer- bzw. Spannungsversorgungseinrichtung gekoppelt. Da die Wandströme sich nur entlang der Innenseite der Kavitätswände ausbreiten können, sind die miteinander zusammen geschalteten Kavitäten 110 an der Außenseite RF- technisch voneinander entkoppelt. Daher können sie trotz der DC-Verbindung unabhängig voneinander gesteuert werden. Die Erfindung ist nicht auf die hier beispielhaft gezeigten Ausführungen beschränkt. Vielmehr lässt sich das erfindungs¬ gemäße Konzept auf jede geeignete RF-Struktur anwenden, bei der Wandströme in das Innere eingekoppelt und nach außen hin abgeschirmt werden sollen.
Figur 8 zeigt eine weitere Aus führungs form einer HF- Vorrichtung 100, bei der die HF-Resonanzeinrichtung 110 meh- rere getrennt voneinander angeordnete Schlitze 114 aufweist. Jedem Schlitz 114 ist eine Einkopplungseinrichtung 130 zugeordnet. Die Einkopplungseinrichtungen 130 sind entsprechend der Einkopplungseinrichtung 130 der Figuren 1 bis 4 ausgebildet, wobei jede Einkopplungseinrichtung 130 wenigstens einen Generator 131 und ein Transistormodul 132 aufweist. Die Ein¬ kopplungseinrichtungen 130 werden von einer Steuereinheit 500 über entsprechende Anschlüsse 133 mit Strom versorgt und zur Abgabe von HF-Leistung angesteuert. Jede Einkopplungseinrichtung 130 kann einen oder mehrere Generatoren aufweisen.
Figur 9 zeigt einen Querschnitt durch die Anordnung der Figur 8 senkrecht zur Längserstreckung der HF-Resonanzeinrichtung 110. Figur 10 zeigt einen Querschnitt in Längsrichtung der HF- Resonanzeinrichtung 110 durch eine Einkopplungseinrichtung 130 und einen Teilabschnitt der Außenwand 111.
Figur 11 zeigt in einer schematischen Darstellung einen
Schlitz 114 der Aus führungs form der Figur 8 und eine Einkoppelvorrichtung 130 mit einer schematischen Darstellung des parasitären Stroms I über die Außenseite der Außenwand 111 und die Innenseiten 135 der Abschirmung 134. Durch die Wahl der Geometrie und die Wahl des Materials des Abschirmgehäuses 134 wie bereits erläutert ist der parasitäre Strom I mög¬ lichst klein gehalten. Bei der vorliegenden Anordnung ist die HF-Erzeugung bzw. HF- Umrichtung in die resonante Struktur integriert. Der Umrichter ist in eine Struktur eingebaut, die aus der HF-Resonanzeinrichtung 110 als ersten Raum und einem zweiten für die Frequenz der HF-Energie im Wesentlichen abgeschlossenen Raum gebildet wird, der durch die Abschirmung 134 und einem Teil der Außenwand der HF-Resonanzeinrichtung realisiert ist. Zwischen den zwei Räumen ist der Schlitz 114 vorgesehen. Der Schlitz 114 wird durch den ersten und den zweiten Flansch 117, 118 begrenzt. Der erste und der zweite Flansch sind in der Weise ausgebildet, dass der erste und der zweite Flansch 117, 118 jeweils eine Richtungskomponente senkrecht zum Wand¬ strom des gewünschten Resonanzmodes aufweist. Der von dem HF- Generator erzeugte HF-Strom wird in den ersten und den zweiten Flansch 117, 118 des Schlitzes 114 injiziert. Beide Räume sind so ausgebildet, dass sich die in den Schlitz injizierte elektromagnetische Leistung hauptsächlich in die HF-Resonanzeinrichtung 110 verzweigt. Diese wird durch die Ausbildung des ersten und des zweiten Flansches 117, 118 gestützt. Wei¬ terhin weist die HF-Frequenz des Generators eine Frequenz auf, die einer Resonanzfrequenz der HF-Resonanzeinrichtung nahe kommt oder entspricht. Zudem ist der Schlitz 114 der HF- Resonanzeinrichtung nahe einem Strombauch des Resonanzmodes der HF-Resonanzeinrichtung angeordnet. Dadurch wird die HF- Resonanzeinrichtung 110 bei der Resonanzfrequenz niederohmig im Vergleich zu dem zweiten Raum. Beispielsweise ist die Impedanz des zweiten Raumes für die vom HF-Generator abgegebene HF-Frequenz wenigstens zehnmal größer als die Impedanz der HF-Resonanzeinrichtung. Weiterhin liegt vorzugsweise keine Resonanzfrequenz des zweiten Raumes nahe der Frequenz des HF- Generators .
Vorzugsweise ist der zweite Raum derart geometrisch ausgebil¬ det, dass der zweite Raum transparent gegen das vom Speise¬ strom erzeugte elektromagnetische Feld ist, wobei die Ab¬ schirmung beispielsweise als normal leitende Metallbox in ei¬ ner Gleichstromspeisung oder durch ein oder mehrere koaxiale Kabel zur Versorgung mit Strom ausgebildet ist. In dieser Aus führungs form ist der zweite Raum als eine Verlängerung des Raumes zwischen Mantel und Innenleiter des Koaxialkabels aus¬ gebildet. Der elektrisch leitende Mantel des Koaxialkabels ist mit der Wandung des Abschirmgehäuses verbunden.
Figur 12 zeigt eine weitere Ausbildungsform der HF-Resonanzeinrichtung 110 in einer schematischen Darstellung, bei der die Schlitze 114 entlang der Längsrichtung der HF-Resonanzeinrichtung 110 und parallel zueinander angeordnet sind. Je- dem Schlitz ist eine Einkopplungseinrichtung 130 gemäß der
Aus führungs form der Figuren 8 bis 10 zugeordnet. Abhängig von der gewählten Aus führungs form koppeln die HF-Generatoren die HF-Leistung in den Längsseiten und/oder in den Querseiten der Schlitze 114 ein. Die vorderen und hinteren Querkanten 170, 172 der Schlitze 114 sind vorzugsweise in einer vorderen bzw. hinteren Ebene senkrecht zur Längsseite der HF-Resonanzeinrichtung 110 angeordnet. Abhängig von der gewählten Ausführungsform weisen die vordere und die hintere Querkante oder die Längsseiten der Schlitze entsprechende erste und zweite Flansche 117, 118 gemäß der Figur 10 auf.
Figur 13 zeigt eine schematische Darstellung der Stromdichte I in der Wand der HF-Resonanzeinrichtung 110 im Bereich des Schlitzes 114. Über die Flansche 117, 118 werden die HF- Ströme vom nicht dargestellten Generator 131 eingespeist. Durch die begrenzte Ausbildung des Schlitzes 114 wird er¬ reicht, dass seitlich des Schlitzes 114 im Resonanzmodus der HF-Resonanzeinrichtung 110 Ströme im Wesentlichen auf der Unterseite der Außenwand 111 fließen. Dies wird dadurch er- reicht, dass die Bereiche seitlich des Schlitzes 114 jeweils eine erste bzw. zweite Induktivität LI, L2 darstellen. Im Be¬ reich des Schlitzes 114 liegt eine weitere Induktivität L0 vor, die durch den Generator 131 vorgegeben ist. Durch die magnetische Kopplung des vom Generator 131 eingespeisten Stromes werden auch elektrische Spannungen in den Bereichen seitlich des Schlitzes 114 in der ersten und in der zweiten Induktivität LI, L2 induziert. Auf diese Weise werden Ring- ströme um den Schlitz herum, ähnlich einer stromkompensierten Drossel, unterdrückt.

Claims

Patentansprüche
1. HF-Vorrichtung (100) umfassend:
- eine HF-Resonanzeinrichtung (110) mit einer elektrisch lei- tenden Außenwand (111), wobei die Außenwand (111) einen
Schlitz (114) umfasst und
- eine Einkopplungseinrichtung (130) mit
einem an der Außenseite (113) der Außenwand (111) der HF- Resonanzeinrichtung (110) im Bereich des Schlitzes (114) an- geordneten HF-Generator (131) zum Einkoppeln einer HF- Strahlung einer bestimmten Generator-Frequenz (fG) über den Schlitz (114) in das Innere der HF-Resonanzeinrichtung (110), und
einer den Generator (131) nach außen abschirmenden und den Schlitz (114) an der Außenseite (113) der Außenwand (111) elektrisch überbrückenden Abschirmung (134),
wobei die Abschirmung (134) als Resonator mit einer höheren Impedanz für die Generator-Frequenz (fG) ausgebildet ist als die Resonanzeinrichtung.
2. HF-Vorrichtung (100) nach Anspruch 1,
wobei die Abschirmung (134) eine von der Generator-Frequenz (fG) abweichende Resonanzfrequenz (fR) aufweist.
3. HF-Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Abschirmung (134) auf eine Resonanzfrequenz (fA) oberhalb der Generator-Frequenz (fG) abgestimmt ist.
4. HF-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die kapazitiven und induktiven Eigenschaften der Abschirmung (134) derart abgestimmt sind, dass sich bei der Ge¬ nerator-Frequenz (fG) in der Abschirmung (134) eine stehende elektromagnetische Welle mit einem Stromknoten im Bereich des Schlitzes (114) ausbildet.
5. HF-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die HF-Resonanzeinrichtung (110) in der Weise ausgebil- det ist, dass die HF-Resonanzeinrichtung (110) im Bereich des Schlitzes (114) einen Strombauch aufweist.
6. HF-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schlitz (114) durch gegenüber liegende Kanten (117, 118) begrenzt ist, wobei die Kanten (117, 118) eine Rich¬ tungskomponente senkrecht zum Wandstrom (I) des gewünschten Resonanzmodes aufweist.
7. HF-Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die elektrische Leitungslänge der Abschirmung (134) im Wesentlichen einem Viertel der Wellenlänge (λ) der vom Generator erzeugten elektromagnetischen Welle entspricht.
8. HF-Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die HF-Resonanzeinrichtung (110) als HF-Kavität ausge¬ bildet ist.
9. HF-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
wobei die HF-Resonanzeinrichtung (110) als Wellenleiter ausgebildet ist.
10. HF-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
wobei die HF-Resonanzeinrichtung (110) als koaxiale leitende Verbindung ausgebildet ist.
11. HF-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Generator (131) mehrere entlang des Umfangs der HF- Resonanzeinrichtung (110) verteilt angeordnete Transistormo¬ dule (132) umfasst.
12. HF-Vorrichtung nach Anspruch 11,
wobei der Schlitz (114) von zwei sich gegenüberliegenden Flanschen (117, 118) der Außenwand (111) der HF- Resonanzeinrichtung (110) begrenzt wird, und wobei die Transistormodule (132) jeweils in Aussparungen (124) innerhalb der beiden Flansche (117, 118) angeordnet sind .
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