HF-Kavität sowie Beschleuniger mit einer derartigen HF- Kavität

Die Erfindung betrifft eine HF-Kavität, in welcher HF- Leistung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes im Inneren der HF-Kavität eingekoppelt werden kann. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Beschleuniger mit einer derarti- gen HF-Kavität. Derartige Beschleuniger bzw. derartige HF-

Kavitäten werden üblicherweise zur Beschleunigung von geladenen Teilchen verwendet.

Es sind HF-Kavitäten bekannt, die zur HF-Resonanz angeregt werden können, indem HF-Leistung in die HF-Kavität eingekoppelt wird. Die HF-Leistung ihrerseits wird jedoch entfernt von der HF-Kavität erzeugt, beispielsweise mithilfe eines Klystrons, und zu der HF-Kavität mithilfe eines Wellenleiters transportiert. Alternativ ist es möglich, die HF-Leistung mithilfe einer Antenne oder eines induktiven Kopplers in die Kavität einzukoppeln .

Die US 5,497,050 offenbart einen anderen Aufbau um HF- Leistung in eine HF-Kavität einzukoppeln. Dies geschieht über eine Vielzahl von Festkörper-Leistungstransistoren, die in einer leitenden Wand der HF-Kavität integriert sind.

Es ist die Aufgabe der Erfindung eine HF-Kavität bereitzu ^¬ stellen, welche sicher betrieben werden kann und welche mit anderen Geräten auf sichere Weise zusammen eingesetzt werden kann. Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung einen Beschleuniger mit einer derartigen HF-Kavität anzugeben, der eine flexible Ansteuerung erlaubt. Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Merkmalen der abhängigen Ansprüche . Die erfindungsgemäße HF-Kavität umfasst

eine Kammer,

eine die Kammer umgebende leidende Wand, welche eine Innen- seite und eine Außenseite aufweist, und

eine Schaltanordnung mit einer Vielzahl von Festkörperschaltern, welche entlang eines Umfanges der Wand um die Kammer angeordnet sind,

wobei die Festkörperschalter mit der leitenden Wand derart in Verbindung stehen, dass bei Aktivierung der Schaltanordnung

HF-Ströme in der leitenden Wand induziert werden, wodurch HF- Leistung in die Kammer der HF-Kavität eingekoppelt wird, wobei an der Außenseite der leitenden Wand entlang eines Um- fangs der HF-Kavität eine Abschirmvorrichtung vorhanden ist, welche die Impedanz eines Ausbreitungspfades von HF-Strömen entlang der Außenseite der Wand erhöht, sodass die in die Wand eingekoppelten HF-Ströme an der Außenseite der Wand un ^¬ terdrückt werden. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein Be ^¬ schleunigeraufbau, wie er in der US 5,497,050 geschildert ist, vorteilhaft ist, um hohe HF-Leistungen in eine HF- Kavität einzukoppeln . Die Fläche, über die die HF-Leistung eingekoppelt werden kann, ist im Vergleich zu Aufbauten mit einer Einkopplung lediglich an einer Stelle größer, da sich die Transistoren über den gesamten Umfang erstrecken. Zudem geschieht die Erzeugung der einzukoppelnden HF-Leistung in unmittelbarer Nähe der HF-Kavität, wodurch Verluste vermieden werden .

Weiterhin wurde jedoch erkannt, dass dieser Aufbau problema ^¬ tisch sein kann. Insbesondere erzeugt die HF-Leistung, die in die Wand der HF-Kavität eingekoppelt wird, an der Außenseite der leitenden Wand starke HF-Ströme. Diese HF-Ströme stellen bei hoher Leistungsanforderung ein Problem während des Betriebs dar. Dadurch, dass nun eine Abschirmvorrichtung vorgesehen ist, mit der die Impedanz an der Außenseite der leitenden Wand erhöht wird, reduzieren sich die HF-Ströme, die sich sonst ent ^¬ lang eines Ausbreitungspfades an der Außenwand ausbreiten würden, deutlich und werden bestenfalls sogar vollständig unterdrückt. Die Impedanzerhöhung an der Außenseite der leitenden Wand hat zur Folge, dass sich die HF-Ströme, die über die direkte Verbindung der Festkörperschalterm mit der leitenden Wand eingeleitet werden, vornehmlich oder zur Gänze an der Innenseite der leitenden Wand ausbreiten.

Hierdurch wird eine Reihe von Vorteilen erzielt. Da sich an der Außenseite der Wand und an einem eventuell vorhandenen Schutzkäfig um die Transistoren keine HF-Ströme ausbreiten, wird eine Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung von der Wand nach außen vermieden, die ansonsten die Verfügbarkeit der Leistung verringern würde und zum Beispiel aufgrund einer Unterbrechung von Hochfrequenz-Banden den Betrieb stören würde .

Die Außenseite der leitenden Wand kann nun auf Erdpotenzial gesetzt werden, so dass die HF-Kavität einfacher mit anderen Geräten verbunden bzw. gekoppelt und zusammen eingesetzt werden kann. Eine Außenseite der leitenden Wand auf Erdpotenzial erhöht die Sicherheit während des Betriebs.

Üblicherweise umfasst die leitende Wand einen ersten Ab ^¬ schnitt und einen von dem ersten Abschnitt isolierten zweiten Abschnitt. Die Abschirmvorrichtung umfasst einen ersten Teil und einen zweiten Teil, wobei der erste Teil dem ersten Ab ^¬ schnitt der leitenden Wand zugeordnet ist und der zweite Teil dem zweiten Teil der leitenden Wand. Die Schaltanordnungen mit den Festkörpertransistoren stellt die HF-Leistung über einen Schlitz zwischen den ersten Abschnitt mit den zweiten Abschnitt der leitenden Wand bereit. Die Isolierung zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt der leitenden Wand kann gleichzeitig die Funktion einer Vakuumdichtung übernehmen . Die Abschirmvorrichtung kann auf verschiedene Weisen die Impedanzerhöhung realisieren. So kann die Abschirmvorrichtung eine gerippte leitende Struktur, einen Ferritring und/oder λ/4-Stichleitung umfassen.

In vorteilhafter Weise weist die leitende Wand an der Außenseite eine Aussparung auf, in welche die Abschirmvorrichtung zumindest teilweise versenkt ist.

Insbesondere kann durch die Aussparung in der leitenden Wand eine λ/4-Stichleitung gebildet werden. Auf diese Weise ist kein zusätzliches Material notwendig, um die Impedanzerhöhung zu erreichen. Eine Füllung der Aussparung mit einem Die- lektrikum ermöglicht eine Anpassung der Stichleitung an die Frequenz der HF-Ströme. Die Stichleitung kann in Platz sparender Weise angeordnet werden, wenn die Stichleitung in sich gefaltet ist, zum Beispiel nach Art einer Spirale. Die Festkörperschalter können zusätzlich von einem leitenden Schutzkäfig umgeben sein, der mit der Außenseite der leitenden Wand in Verbindung steht. Hierdurch gelingt es, die Fest ^¬ körperschalter von elektromagnetischer Strahlung abzuschirmen. Die Stelle, an der der Schutzkäfig mit der leitenden Wand in Verbindung steht, kann derart gewählt sein, dass die Abschirmvorrichtung zwischen dieser Stelle und dem Ort, an dem die Einkopplung der HF-Ströme von den Festkörperschaltern in die leitende Wand erfolgt, liegt. Auf diese Weise befindet sich der Teil der leitenden Wand, an der HF-Ströme an der Au- ßenseite fließen können, innerhalb des Schutzkäfigs.

Die Abschirmvorrichtung muss nicht zwangsläufig in einer Aus ^¬ sparung der leitenden Wand angeordnet werden. Sie kann auch ganz oder teilweise auf der Außenseite der leitenden Wand aufgebracht sein.

Die Abschirmvorrichtung kann auch durch den leitenden Schutzkäfig gebildet werden, der die Festkörperschalter umgibt und der mit der leitenden Wand in Verbindung steht. Der Schutzkäfig steht sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Abschnitt der leitenden Wand in Verbindung. Ohne Rippen zur Impedanzerhöhung an der Innenseite des Schutzkäfigs würde der Schutzkäfig ohne weitere Maßnahmen wie eine vom Schutzkäfig weitere Abschirmvorrichtung einen Kurzschluss zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt der leitenden Wand darstellen. Durch die Rippen wird allerdings eine Impedanzerhöhung im HF-Bereich erreicht, die dies verhindert. Zudem wird durch den leitenden Schutzkäfig eine Unterdrückung der HF-Ströme an der Außenseite der Wand erreicht, da eine Aus ^¬ breitung der HF-Ströme an der Außenseite der leitenden Wand durch die Kontaktstellen des Schutzkäfigs mit der leitenden Wand unterbunden wird.

Die HF-Kavität kann als HF-Resonator sein, welcher insbesondere zur Beschleunigung von Teilchen ausgebildet eingesetzt werden kann. Insbesondere können mehrere derartige HF- Resonatoren hintereinander geschaltet sein und insbesondere unabhängig voneinander angesteuert werden.

Dadurch, dass an der Außenseite der HF-Kavität keine HF- Ströme fließen, können mehrerer dieser HF-Kavitäten hintereinander zu einer Beschleunigereinheit geschaltet werden. Die HF-Kavitäten sind dann trotz Kopplung untereinander im Hochfrequenzbereich voneinander entkoppelt. Die Kopplung bezieht sich lediglich auf einen Gleichstromanteil (DC-Anteil) . Auf ^¬ grund der HF-Entkopplung ist es dann aber möglich, die einzelnen HF-Kavitäten unabhängig voneinander anzusteuern, wo- durch der Beschleuniger flexibler betrieben werden kann und flexibler an die jeweiligen zu erreichende gewünschte Be ^¬ schleunigung angepasst werden kann. Die Anpassung ist flexibler als bei einem Beschleuniger, bei dem die HF-Kavitäten im HF-Bereich miteinander gekoppelt sind, so dass die Steuerung einer HF-Kavität gleichzeitig die HF-Felder in den benachbarten HF-Kavität beeinflusst. Der erfindungsgemäße Aufbau zur Einkopplung von HF-Leistung und Abschirmung gegenüber der Außenwelt kann jedoch auch bei anderen HF-Kavitäten eingesetzt werden, zum Beispiel kann die HF-Kavität als koaxiale elektrische Leitung ausgebildet sein, oder in einer Re-Entrant-Resonatorstruktur angeordnet sein.

Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden anhand der Folgendenzeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:

Fig. 1 und Fig. 2 einen schematischen Überblick über eine zylinderförmige HF-Kavität mit einer entlang ihres Umfangs an ^¬ geordnete Einkoppelvorrichtung zur Einkopplung von HF- Leistung,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine HF-Kavität mit detail ^¬ lierterer Darstellung der Einkoppelvorrichtung, welche eine als Ferritring ausgebildete Abschirmvorrichtung umfasst,

Fig. 4 einen Querschnitt durch die in Fig. 3 gezeigte HF- Kavität entlang der Linie III-III,

Fig. 5 einen Vergrößerung eines Teils eines Längsschnitts durch eine Wand einer HF-Kavität zur Darstellung einer als λ/4-Stichleitung ausgebildeten Abschirmvorrichtung,

Fig. 6 und Fig. 7 jeweils eine andere Ausführung der in Fig. 5 gezeigten λ/4-Stichleitung,

Fig. 8 einen Längsschnitt durch eine HF-Kavität, in welcher der um die Leistungstransistoren angeordnete Schutzkäfig mit inneren Rippen als Abschirmvorrichtung dient, Fig. 9 eine als koaxiale Leitung ausgebildete HF-Kavität.

Fig. 1 zeigt eine Seitansicht einer HF-Kavität 11. Um den äu ^¬ ßeren Umfang der HF-Kavität 11 ist eine Einkoppelvorrichtung 13 zur Einkopplung von HF-Leistung die HF-Kavität 11 angeordnet. Fig. 2 zeigt eine Frontansicht der in Fig. 1 gezeigten HF-Kavität 11. Die Einkoppelvorrichtung 13 wird anhand des Längsschnitts in Fig. 3 und des Querschnitts in Fig. 4 durch die in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigte HF-Kavität 11 detaillierter dargestellt.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch die HF-Kavität 11. Dar ^¬ gestellt ist lediglich eine Wandseite der HF-Kavität 11 in dem Bereich, in dem sich die Einkoppelvorrichtung 13 befindet. Zu sehen ist eine leitende Wand 15, welche einen ersten Abschnitt 21 und einen zweiten Abschnitt 23 aufweist, die voneinander isoliert sind. Die ringförmige Isolierung 27 bil- det gleichzeitig eine Vakuumdichtung. Die leitende Wand 15 weist eine Innenseite 19 auf, welche in den Hohlraum der HF- Kavität 11 gerichtet ist, und eine nach außen gerichtete Au ^¬ ßenseite 17 auf. An der Außenseite 17 befindet sich die Ein ^¬ koppelvorrichtung 13 für HF-Leistung. Diese umfasst eine Vielzahl von Festkörper-Transistoren 29, welche in direktem Kontakt mit einem schlitzartigen Flansch 25 stehen, der von dem ersten Abschnitt 21 und dem zweiten Abschnitt 23 der lei ^¬ tenden Wand 15 gebildet wird. Die Festkörper-Transistoren 29 sind über Zuleitungen 31 mit einer hier nicht gezeigten DC- Stromquelle verbunden. Bei Aktivierung induzieren die Festkörper-Transistoren 29 in der leitenden Wand 15 HF-Ströme, die sich entlang der leitenden Wand 15 ausbreiten. Gewünscht ist eine Ausbreitung entlang der Innenseite 19 der leitenden Wand. Um dies zu erreichen, ist eine Abschirmvorrichtung vor- gesehen, welche in dem hier gezeigten Fall in eine Aussparung der leitenden Wand 15 eingearbeitet ist. Die Aussparungen sind in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel mit einem Ferritring 33 gefüllt. Die Abschirmvorrichtung bzw. der Ferritring 33 befindet sich sowohl in dem ersten Abschnitt 21 der leitenden Wand 15 als auch in dem zweiten Abschnitt 23. Der Ferritring 33 erhöht die Impedanz an der Außenseite 17 der elektrisch leitenden Wand 15, wodurch eine Ausbreitung von HF-Strömen entlang der Außenseite 17 unterbunden wird und auf die Innenseite 19 geleitet wird.

Zusätzlich sind die Festkörper-Transistoren 29 und die Ein- koppelstelle am Flansch 25 durch einen metallischen Schutzkäfig 35, beispielsweise aus Kupfer, vor elektromagnetischer Strahlung von außen geschützt. Der Schutzkäfig 35 kontaktiert die elektrisch leitende Wand 15 an einer Stelle an der Außenseite 17, welche bereits durch die Abschirmvorrichtung vor von sich ausbreitenden HF-Strömen geschützt ist.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt gemäß der Linie IV -- IV in Fig. 3. Zu sehen sind der äußere Schutzkäfig 35, einige Festkörper-Transistoren 29 sowie die Kontaktstelle mit der den Flansch 25 bildenden Teil der leitenden Wand 15.

In Fig. 3 ist die Abschirmvorrichtung als ein Ferritring 33 gezeigt, der sich entlang des Umfangs der HF-Kavität erstreckt. Weitere Ausführungsformen werden anhand der folgen- den Fig. 5 bis Fig. 9 gezeigt.

Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt der leitenden Wand 15, an einer Stelle, welche in Fig. 3 derjenigen Stelle entspricht, an der sich der Ferritring 33 befindet. In die leitenden Wand 15 ist eine Aussparung 37 eingearbeitet, welche derart geformt ist, dass sie eine λ/4 -Stichleitung bildet. Die λ/4- Stichleitung ist derart auf die Betriebsfrequenz der HF- Kavität 11 abgestimmt, dass durch die λ/4 -Stichleitung eine Ausbreitung von HF-Strömen entlang der Außenseite 17 der Wand 15 unterbunden wird. Die Aussparung kann gemäß Fig. 6 mit einem Dielektrikum 39 gefüllt sein, oder aber auch gemäß Fig. 7 in sich gefaltet sein (Faltung 41) . Durch beide Maßnahmen kann die λ/ -Stichleitung platzsparender untergebracht werden.

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Abschirmvorrichtung. In dem hier gezeigten Fall wird die Abschirmvorrichtung dadurch realisiert, dass der Schutzkäfig 35, der die leitende Wand 15 kontaktiert und die Festkörper-Transistoren 29 umgibt, in spezieller Art und Weise ausgebildet ist. Der

Schutzkäfig 35 weist an seiner Innenseite eine Vielzahl von Rippen 43 auf. Anhand dieser Rippen 43 vergrößert sich die Impedanz des Pfades, der von der Außenseite 17 der leitenden Wand 15 entlang der Innenseite des Schutzkäfigs 29 führt und verhindert dadurch, dass sich HF-Ströme entlang der Außenseite 17 der Wand 15 von der Injektionsstelle über den Schutzkäfig 29 hinaus ausbreiten würden.

Fig. 9 zeigt eine HF-Kavität, welche als koaxiale leitende Verbindung 47 ausgebildet ist. Über die am Außenleiter angeordnete Einkoppelvorrichtung 13 kann HF-Leistung in die koaxiale Verbindung eingespeist werden. Durch die Abschirmvor- richtung ist der Außenleiter der koaxialen Verbindung 47 bzw. dessen Außenseite von vor sich ausbreitenden HF-Strömen geschützt .

Fig. 10 zeigt eine Beschleunigereinheit, entlang derer eine Vielzahl von HF-Kavitäten 11 ... II ¹ ' ¹ , wie sie beispielsweise in Fig. 1 in Fig. 2 gezeigt sind, hintereinander angeordnet sind. Da sich HF-Ströme lediglich an der Innenseite der HF- Kavitäten 11 ... II ¹ ' ¹ ausbreiten, sind die HF-Kavitäten 11 ... 11 ' ' ' im Hochfrequenzbereich voneinander entkoppelt und kön- nen demzufolge von einer Steuervorrichtung 45 individuell angesteuert werden, wodurch sich eine flexible Abstimmung der HF-Kavitäten 11 ... 11 ^{1 1 1} auf eine gewünschte Beschleunigung erreichen lässt.

Bezugs zeichenliste

11 HF-Kavität

13 Einkoppelvorrichtung

15 leitende Wand

17 Außenseite

19 Innenseite

21 erster Abschnitt

23 zweiter Abschnitt

25 Flansch

27 Isolierring

29 Festkörperschalter

29 Festkörper-Transistor

31 Zuleitung

33 Vertreterinnen

35 Schutzkäfig

37 Aussparung

39 Dielektrikum

41 Faltung

43 Rippe

45 Steuervorrichtung 47 koaxiale Verbindung