EP2749151B1 - Hf-resonator und teilchenbeschleuniger mit diesem hf-resonator - Google Patents

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EP2749151B1
EP2749151B1 EP12769948.6A EP12769948A EP2749151B1 EP 2749151 B1 EP2749151 B1 EP 2749151B1 EP 12769948 A EP12769948 A EP 12769948A EP 2749151 B1 EP2749151 B1 EP 2749151B1
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EP
European Patent Office
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resonator
cavity
coating
outer coating
lateral surface
Prior art date
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EP12769948.6A
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EP2749151A1 (de
Inventor
Michael Back
Oliver Heid
Michael Kleemann
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type
    • H01P7/06—Cavity resonators
    • 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
    • H05H7/18—Cavities; Resonators

Definitions

  • the present invention relates to an RF resonator according to claim 1, and a particle accelerator for accelerating electrically charged particles according to claim 11.
  • HF resonators high-frequency electromagnetic oscillations can be excited.
  • RF resonators may also be referred to as cavity resonators.
  • RF resonators are used, for example, in particle accelerators for accelerating electrically charged particles.
  • WO 2011/061026 discloses an RF cavity into which RF power can be coupled to generate an electromagnetic field in the interior of the RF cavity.
  • the object of the present invention is therefore to provide a better evacuatable RF resonator.
  • This object is achieved by an RF resonator having the features of claim 1.
  • This object is achieved by a particle accelerator having the features of claim 11. Preferred developments are specified in the dependent claims.
  • An inventive RF resonator comprises a cylindrical cavity made of a dielectric material.
  • An inner side of the cavity has an electrically conductive coating, which is subdivided into a first inner coating and a second inner coating by an electrically insulating gap surrounding a circumferential surface of the cavity in an annular manner.
  • An outer side of the cavity has an electrically conductive first outer coating and an electrically conductive second outer coating. The first outer coating and the second outer coating are electrically isolated from each other.
  • the RF resonator includes means arranged to apply a high frequency electrical voltage between the first outer coating and the second outer coating.
  • the cylindrical cavity of this RF resonator can be easily evacuated and has no problems to be sealed breakthroughs, especially no difficult to seal metal-ceramic compounds on.
  • the device of the RF resonator can capacitively excite a high-frequency electromagnetic oscillation in the RF resonator via the conductive outer and inner coatings.
  • the annular circumferential gap is perpendicular to a longitudinal direction the cylindrical cavity oriented.
  • the RF resonator then has a mirror and rotational symmetry, which enables excitation of symmetrical vibration modes.
  • the first outer coating and the second outer coating each circulate annularly around the lateral surface of the cavity.
  • the outside of the RF resonator on a mirror and rotational symmetry which allows excitation symmetric vibration modes.
  • the first outer coating is adjacent to the first inner coating in a direction oriented perpendicular to the lateral surface of the cavity.
  • the first outer coating is adjacent to the first inner coating in a direction oriented perpendicular to the lateral surface of the cavity.
  • the second outer coating is adjacent to the second inner coating in a direction oriented perpendicular to the lateral surface of the cavity.
  • the second outer coating is adjacent to the second inner coating in a direction oriented perpendicular to the lateral surface of the cavity.
  • the device comprises a solid-state power transistor.
  • the RF power to be coupled into the RF resonator can be generated near the location of the launch.
  • the device comprises a plurality of solid-state power transistors, which are arranged in a ring around the lateral surface of the cavity.
  • a plurality of solid-state power transistors enables the excitation of a particularly high RF power in the RF resonator.
  • the dielectric material is a glass or a ceramic.
  • glass and ceramic have suitable mechanical properties for use as a vacuum vessel.
  • the cavity has a circular cylindrical shape.
  • a circular-cylindrical cavity allows excitation of vibration modes suitable for accelerating charged particles.
  • the cavity is designed to be evacuated to an air pressure reduced in relation to an environment of the cavity.
  • the RF resonator can then be used to accelerate electrically charged particles.
  • An inventive particle accelerator for accelerating electrically charged particles has an RF resonator of the aforementioned type.
  • the RF resonator in this particle accelerator can be evacuated to a low pressure and has no difficult to seal seams.
  • FIG. 1 shows an RF resonator 100 in a highly schematic representation.
  • a high-frequency electromagnetic vibration mode can be excited.
  • the RF resonator 100 may serve to accelerate electrically charged particles in a particle accelerator.
  • the cavity 200 is formed as a hollow cylinder and has a circular disk-shaped first cover surface 210, a circular disk-shaped second cover surface 220 and a first surface 210 with the second cover surface 220 connecting lateral surface 230.
  • the cavity 200 is cut at the plane of the drawing. In FIG. 1 Thus, only one half of the cavity 200 is shown.
  • the hollow-cylindrical cavity 200 defines a longitudinal direction 201 and a radial direction 202, which is oriented perpendicular to the longitudinal direction 201.
  • the first cover surface 210 and the second cover surface 220 are each oriented perpendicular to the longitudinal direction 201.
  • the lateral surface 230 of the cavity 200 extends between the first cover surface 210 and the second cover surface 220 along the longitudinal direction 201.
  • first cover surface 210 and the second cover surface 220 may also be designed differently than circular disk-shaped.
  • the top surfaces 210, 220 could each have a rectangular shape or an elliptical shape.
  • the cavity 200 is made of an electrically insulating dielectric material.
  • the cavity 200 preferably consists of a glass or a ceramic.
  • glass and ceramic materials are sufficiently strong to withstand a high pressure differential between an interior of the cavity 200 and an environment of the cavity 200.
  • the cavity 200 of the RF resonator 100 encloses a cavity completely and preferably has no difficult to seal seams, in particular no metal-ceramic transitions on. This makes it possible to evacuate the cavity 200 to a reduced pressure compared to an air pressure in an environment of the cavity 200.
  • the cavity 200 may include one or more suitable flanges.
  • the first top surface 210 and the second top surface 220 of the cavity 200 may also include suitable openings or windows through which a charged particle beam may enter the interior of the cavity 200 and exit from the interior of the cavity 200.
  • the cavity 200 has an inner side 240, which faces the cavity 200 enclosed by the cavity.
  • the cavity 200 has an outer side 250, which faces an environment of the cavity 100.
  • an electrically conductive inner coating 300 is disposed on the inside 240 of the cavity 200.
  • the electrically conductive inner coating 300 may be made of a metal, for example.
  • the inner coating 300 is divided into a first inner coating 310 and a second inner coating 320. Between the first inner coating 310 and the second inner coating 320, an electrically insulating inner gap 330 is arranged, by means of which the first inner coating 310 is electrically insulated from the second inner coating 320. In the region of the inner gap 330, no conductive coating is provided on the inside 240 of the cavity 200.
  • the inner gap 330 is annularly arranged circumferentially on the lateral surface 230 of the cavity 200.
  • the inner gap 330 is preferably oriented perpendicular to the longitudinal direction 201 of the cavity 200 and thus parallel to the cover surfaces 210, 220.
  • the inner gap 330 is arranged centrally between the first cover surface 210 and the second cover surface 220.
  • the first inner coating 310 reveals the inside 240 of the first cover surface 210 and the inside 240 of one the first top surface 210 subsequent portion of the lateral surface 230 from.
  • the second inner coating 320 covers the inner side 240 of the second cover surface 220 and the inner side 240 of a section of the lateral surface 230 adjoining the second cover surface 220.
  • the inner gap 330 is preferably made very narrow.
  • the width of the inner gap 330 in the longitudinal direction 201 is preferably small compared to a length of the cavity 200 in the longitudinal direction 201 and small compared to a wavelength of a high-frequency oscillation mode that can be excited in the RF resonator 100.
  • an electrically conductive outer coating 400 is arranged on the outside 250 of the cavity 200.
  • the outer coating 400 may be made of a metal, for example.
  • the outer coating 400 includes a first outer coating 410 and a second outer coating 420. Between the first outer coating 410 and the second outer coating 420, an outer gap 430 is disposed. In the region of the outer gap 430, no electrically conductive coating is provided on the outer side 250 of the cavity 200. Outer gap 430 electrically isolates first outer coating 410 and second outer coating 420 from each other.
  • FIG. 2 shows a section through a portion of the lateral surface 230 of the cavity 200 of the RF resonator 100 in the region of the inner gap 330 and the outer gap 430.
  • the outer gap 430 is in the longitudinal direction 201 in the same position as the inner Gap 330.
  • the outer gap 430 is adjacent to the inner gap 330.
  • the outer gap 430 is arranged in an annular manner on the outer side 250 of the lateral surface 230. If the inner gap 330 is located in the longitudinal direction 201 of the cavity 200 in the middle between the first cover surface 210 and the second cover surface 220, the outer gap 430 is preferably also centrally between the first cover surface 210 and the second top surface 220 arranged.
  • the width of the outer gap 430 in the longitudinal direction 201 preferably corresponds substantially to the width of the inner gap 330 in the longitudinal direction 201.
  • the first outer coating 410 and the second outer coating 420 are likewise each arranged in an annular fashion on the outer side 250 of the lateral surface 230.
  • the annular outer coatings 410, 420 are preferably oriented perpendicular to the longitudinal direction 201 of the cavity 200.
  • the width of the first outer coating 410 in the longitudinal direction 201 and the width of the second outer coating 420 in the longitudinal direction 201 preferably corresponds approximately to the width of the outer gap 430 in the longitudinal direction 201 of the cavity 200.
  • the first outer coating 410 and the second outer coating 420 may in the longitudinal direction 201 also have a greater width or a smaller width than the outer gap 430.
  • the width of the first and second outer coatings 410, 420 in the longitudinal direction 201 is small compared to a wavelength of an electromagnetic vibration mode that can be excited in the cavity 200.
  • the first outer coating 410 is insulated from the first inner coating 310 by the dielectric lateral surface 230.
  • the second outer coating 420 is insulated from the second inner coating 320 by the dielectric lateral surface 230.
  • the first inner coating 410, the dielectric jacket surface 230 and the first inner coating 310 form a first capacitor.
  • the second outer coating 420, the dielectric jacket surface 230 and the second inner coating 320 form a second capacitor.
  • the first and second capacitors provide capacitive coupling between the first outer coating 410 and the first inner coating 310 and between the second outer coating 420 and the second inner coating 320, respectively.
  • One between the first outer coating 410 and the second outer coating 420 applied electrical voltage becomes capacitive in the first inner coating 310 and the second inner coating 320, such that an electrical voltage applied between the first outer coating 410 and the second outer coating 420 effects a substantially equal electrical voltage between the first inner coating 310 and the second inner coating 320.
  • the RF resonator 100 comprises a drive device 500, which is intended to couple high-frequency electromagnetic power into the cavity 200 of the RF resonator 100.
  • the drive device 500 is for this purpose designed to apply a high-frequency electrical voltage between the first outer coating 410 and the second outer coating 420.
  • the drive device 500 preferably has a solid state power transistor or another solid state switch.
  • the drive device 500 comprises a plurality of solid-state power transistors, which are arranged annularly in the region of the outer gap 430 circumferentially on the outer side 250 of the lateral surface 230 of the cavity 200.
  • a high-frequency electrical alternating voltage is applied between the first outer coating 410 and the second outer coating 420 by the drive device 500, a high-frequency alternating electrical voltage also occurs between the outer coatings 410, 420 and the inner coatings 310, 320 due to the capacitive couplings first inner coating 310 and second inner coating 320.
  • the coupled high-frequency electrical voltage excites a high-frequency electrical current flow.
  • the frequency of the alternating voltage applied by the drive device 500 between the first outer coating 410 and the second outer coating 420 corresponds to a resonance frequency of the RF resonator 100
  • the current flow induced in the inner coatings 310, 320 causes a Excitation of a resonant high-frequency oscillation mode in the interior of the cavity 200.
  • the drive device 500 allows high frequency electromagnetic power to be capacitively coupled into the cavity 200 of the RF resonator 100 to excite and amplify resonant high frequency vibration within the cavity 200.
  • the cavity 200 of the RF resonator 100 simultaneously serves as a vessel to be evacuated and as a carrier for the electrically conductive inner coating 300. Due to the possibility of capacitive excitation, the cavity 200 does not require any electrically conductive openings and therefore no difficult to seal metal-ceramic openings. transitions.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen HF-Resonator gemäß Patentanspruch 1, sowie einen Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen elektrisch geladener Teilchen gemäß Patentanspruch 11.
  • In HF-Resonatoren lassen sich hochfrequente elektromagnetische Schwingungen anregen. HF-Resonatoren können auch als Hohlraumresonatoren bezeichnet werden. HF-Resonatoren werden beispielsweise in Teilchenbeschleunigern zur Beschleunigung elektrisch geladener Teilchen verwendet.
  • Zum Anregen einer hochfrequenten elektromagnetischen Schwingung in einem HF-Resonator ist es bekannt, eine hochfrequente Leistung beispielsweise mittels eines Klystrons oder einer Tetrode zu erzeugen und mittels eines Kabels oder eines Wellenleiters zum HF-Resonator zu transportieren und dort über ein Strahlungsfenster oder eine HF-Antenne in den HF-Resonator einzukoppeln. Allerdings lassen sich mit dieser Art der Anregung keine sehr hohen HF-Leistungen erzielen.
  • WO 2011/061026 offenbart eine HF-Kavität, in welchen HF-Leistung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes im Inneren der HF-Kavität einge-Koppelt werden Kann.
  • Aus der EP 0 606 870 A1 ist bekannt, einen HF-Resonator mit einer leitfähigen Wand mit einer Mehrzahl von Festkörpertransistoren auszustatten, die dazu vorgesehen sind, einen hochfrequenten elektrischen Stromfluss in der Wand des HF-Resonators zu induzieren und dadurch eine hochfrequente elektromagnetische Schwingung im HF-Resonator anzuregen. Das Anregen des Stromflusses geschieht dabei durch Anlegen einer hochfrequenten elektrischen Spannung über einen elektrisch isolierenden Schlitz in der Wand des HF-Resonators.
  • Eine Verwendung von HF-Resonatoren in Teilchenbeschleunigern zur Beschleunigung elektrisch geladener Teilchen erfordert eine Evakuierung des HF-Resonators auf einen sehr niedrigen Druck. Es hat sich gezeigt, dass mit dielektrischem Material gefüllte elektrisch isolierende Schlitze in ansonsten leitfähigen Wänden eines HF-Resonators nur schwierig und aufwändig abzudichten sind.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen besser evakuierbaren HF-Resonator bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen HF-Resonator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es ist weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Teilchenbeschleuniger mit einem besser evakuierbaren HF-Resonator bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen Teilchenbeschleuniger mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Ein erfindungsgemäßer HF-Resonator umfasst eine zylindrische Kavität aus einem dielektrischen Material. Eine Innenseite der Kavität weist eine elektrisch leitende Beschichtung auf, die durch einen, ringförmig eine Mantelfläche der Kavität umlaufenden, elektrisch isolierenden Spalt in eine erste innere Beschichtung und eine zweite innere Beschichtung unterteilt ist. Eine Außenseite der Kavität weist eine elektrisch leitende erste äußere Beschichtung und eine elektrisch leitende zweite äußere Beschichtung auf. Die erste äußere Beschichtung und die zweite äußere Beschichtung sind elektrisch voneinander isoliert. Der HF-Resonator umfasst eine Einrichtung, die dazu vorgesehen ist, eine hochfrequente elektrische Spannung zwischen der ersten äußeren Beschichtung und der zweiten äußeren Beschichtung anzulegen. Vorteilhafterweise kann die zylindrische Kavität dieses HF-Resonators einfach evakuiert werden und weist keine problematisch abzudichtenden Durchbrüche, insbesondere keine schwierig abzudichtenden Metall-Keramik-Verbindungen, auf. Vorteilhafterweise kann die Einrichtung des HF-Resonators über die leitfähigen äußeren und inneren Beschichtungen kapazitiv eine hochfrequente elektromagnetische Schwingung in dem HF-Resonator anregen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des HF-Resonators ist der ringförmig umlaufende Spalt senkrecht zu einer Längsrichtung der zylindrischen Kavität orientiert. Vorteilhafterweise weist der HF-Resonator dann eine Spiegel- und Drehsymmetrie auf, was eine Anregung symmetrischer Schwingungsmoden ermöglicht.
  • In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform des HF-Resonators umlaufen die erste äußere Beschichtung und die zweite äußere Beschichtung die Mantelfläche der Kavität jeweils ringförmig. Vorteilhafterweise weist dann auch die Außenseite des HF-Resonators eine Spiegel- und Drehsymmetrie auf, was eine Anregung symmetrischer Schwingungsmoden ermöglicht.
  • Es ist zweckmäßig, dass die erste äußere Beschichtung in einer senkrecht zur Mantelfläche der Kavität orientierten Richtung der ersten inneren Beschichtung benachbart ist. Vorteilhafterweise besteht dann eine starke kapazitive Kopplung zwischen der ersten äußeren Beschichtung und der ersten inneren Beschichtung.
  • Ebenfalls ist zweckmäßig, dass die zweite äußere Beschichtung in einer senkrecht zur Mantelfläche der Kavität orientierten Richtung der zweiten inneren Beschichtung benachbart ist. Vorteilhafterweise besteht dann zwischen der zweiten äußeren Beschichtung und der zweiten inneren Beschichtung eine große kapazitive Kopplung.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung des HF-Resonators umfasst die Einrichtung einen Festkörper-Leistungstransistor. Vorteilhafterweise kann mit einem Festkörper-Leistungstransistor die in den HF-Resonator einzukoppelnde HF-Leistung nahe des Orts der Einkopplung erzeugt werden.
  • In einer Weiterbildung des HF-Resonators umfasst die Einrichtung eine Mehrzahl von Festkörper-Leistungstransistoren, die ringförmig um die Mantelfläche der Kavität angeordnet sind. Vorteilhafterweise ermöglicht das Vorsehen einer Mehrzahl von Festkörper-Leistungstransistoren die Anregung einer besonders hohen HF-Leistung in dem HF-Resonator.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des HF-Resonators ist das dielektrische Material ein Glas oder eine Keramik. Vorteilhafterweise weisen Glas und Keramik für eine Verwendung als Vakuumgefäß geeignete mechanische Eigenschaften auf.
  • Es ist zweckmäßig, dass die Kavität eine Kreiszylinderform aufweist. Vorteilhafterweise ermöglicht eine kreiszylindrisch ausgebildete Kavität eine Anregung von für eine Beschleunigung von geladenen Teilchen geeigneten Schwingungsmoden.
  • Bevorzugt ist die Kavität ausgebildet, auf einen gegenüber einer Umgebung der Kavität reduzierten Luftdruck evakuiert zu werden. Vorteilhafterweise kann der HF-Resonator dann zur Beschleunigung elektrisch geladener Teilchen genutzt werden.
  • Ein erfindungsgemäßer Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen elektrisch geladener Teilchen weist einen HF-Resonator der vorgenannten Art auf. Vorteilhafterweise kann der HF-Resonator bei diesem Teilchenbeschleuniger auf einen niedrigen Druck evakuiert werden und weist dabei keine schwierig abzudichtenden Nahtstellen auf.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
    • Figur 1 einen Schnitt durch einen HF-Resonator; und
    • Figur 2 einen Schnitt durch einen Wandabschnitt des HF-Resonators.
  • Figur 1 zeigt einen HF-Resonator 100 in stark schematisierter Darstellung. Im HF-Resonator 100 kann eine hochfrequente elektromagnetische Schwingungsmode angeregt werden. Der HF-Resonator 100 kann beispielsweise zur Beschleunigung elektrisch geladener Teilchen in einem Teilchenbeschleuniger dienen.
  • Der HF-Resonator 100 umfasst eine Kavität 200. Die Kavität 200 ist als Hohlzylinder ausgebildet und weist eine kreisscheibenförmige erste Deckfläche 210, eine kreisscheibenförmige zweite Deckfläche 220 und eine die erste Deckfläche 210 mit der zweiten Deckfläche 220 verbindende Mantelfläche 230 auf. In der Darstellung der Figur 1 ist die Kavität 200 an der Zeichnungsebene geschnitten. In Figur 1 ist somit lediglich eine Hälfte der Kavität 200 dargestellt.
  • Die hohlzylindrisch ausgebildete Kavität 200 definiert eine Längsrichtung 201 und eine radiale Richtung 202, die senkrecht zur Längsrichtung 201 orientiert ist. Die erste Deckfläche 210 und die zweite Deckfläche 220 sind jeweils senkrecht zur Längsrichtung 201 orientiert. Die Mantelfläche 230 der Kavität 200 erstreckt sich zwischen der ersten Deckfläche 210 und der zweiten Deckfläche 220 entlang der Längsrichtung 201.
  • Die erste Deckfläche 210 und die zweite Deckfläche 220 können in alternativen Ausführungsformen auch anders als kreisscheibenförmig ausgebildet sein. Beispielsweise könnten die Deckflächen 210, 220 jeweils eine Rechteckform oder eine elliptische Form aufweisen.
  • Die Kavität 200 besteht aus einem elektrisch isolierenden dielektrischen Material. Bevorzugt besteht die Kavität 200 aus einem Glas oder einer Keramik. Vorteilhafterweise sind Glas- und Keramikmaterialien ausreichend fest, um einer hohen Druckdifferenz zwischen einem Innenraum der Kavität 200 und einer Umgebung der Kavität 200 standzuhalten.
  • Die Kavität 200 des HF-Resonators 100 umschließt einen Hohlraum vollständig und weist bevorzugt keine schwierig abzudichtenden Nahtstellen, insbesondere keine Metall-Keramik-Übergänge auf. Dies ermöglicht es, die Kavität 200 auf einen gegenüber einem Luftdruck in einer Umgebung der Kavität 200 reduzierten Druck zu evakuieren. Zum Evakuieren der Kavität 200 kann die Kavität 200 einen oder mehrere geeignete Flansche aufweisen. Die erste Deckfläche 210 und die zweite Deckfläche 220 der Kavität 200 können außerdem geeignete Öffnungen oder Fenster aufweisen, durch die ein Strahl geladener Teilchen in das Innere der Kavität 200 gelangen und aus dem Inneren der Kavität 200 austreten kann.
  • Die Kavität 200 weist eine Innenseite 240 auf, die dem von der Kavität 200 umschlossenen Hohlraum zugewandt ist. Außerdem weist die Kavität 200 eine Außenseite 250 auf, die einer Umgebung der Kavität 100 zugewandt ist.
  • An der Innenseite 240 der Kavität 200 ist eine elektrisch leitende innere Beschichtung 300 angeordnet. Die elektrisch leitende innere Beschichtung 300 kann beispielsweise aus einem Metall bestehen. Die innere Beschichtung 300 ist in eine erste innere Beschichtung 310 und eine zweite innere Beschichtung 320 unterteilt. Zwischen der ersten inneren Beschichtung 310 und der zweiten inneren Beschichtung 320 ist ein elektrisch isolierender innerer Spalt 330 angeordnet, durch den die erste innere Beschichtung 310 elektrisch gegenüber der zweiten inneren Beschichtung 320 isoliert ist. Im Bereich des inneren Spalts 330 ist an der Innenseite 240 der Kavität 200 keine leitende Beschichtung vorgesehen.
  • Bevorzugt ist der innere Spalt 330 ringförmig umlaufend an der Mantelfläche 230 der Kavität 200 angeordnet. Dabei ist der innere Spalt 330 bevorzugt senkrecht zur Längsrichtung 201 der Kavität 200 und somit parallel zu den Deckflächen 210, 220 orientiert. Besonders bevorzugt ist der innere Spalt 330 mittig zwischen der ersten Deckfläche 210 und der zweiten Deckfläche 220 angeordnet.
  • Die erste innere Beschichtung 310 deckt die Innenseite 240 der ersten Deckfläche 210 sowie die Innenseite 240 eines an die erste Deckfläche 210 anschließenden Abschnitts der Mantelfläche 230 ab. Die zweite innere Beschichtung 320 deckt die Innenseite 240 der zweiten Deckfläche 220 sowie die Innenseite 240 eines an die zweite Deckfläche 220 anschließenden Abschnitts der Mantelfläche 230 ab.
  • In Längsrichtung 201 ist der innere Spalt 330 bevorzugt sehr schmal ausgebildet. Insbesondere ist die Breite des inneren Spalts 330 in Längsrichtung 201 bevorzugt klein gegenüber einer Länge der Kavität 200 in Längsrichtung 201 und klein gegenüber einer Wellenlänge einer im HF-Resonator 100 anregbaren hochfrequenten Schwingungsmode.
  • Auf der Außenseite 250 der Kavität 200 ist eine elektrisch leitende äußere Beschichtung 400 angeordnet. Die äußere Beschichtung 400 kann beispielsweise aus einem Metall bestehen. Die äußere Beschichtung 400 umfasst eine erste äußere Beschichtung 410 und eine zweite äußere Beschichtung 420. Zwischen der ersten äußeren Beschichtung 410 und der zweiten äußeren Beschichtung 420 ist ein äußerer Spalt 430 angeordnet. Im Bereich des äußeren Spalts 430 ist keine elektrisch leitende Beschichtung auf der Außenseite 250 der Kavität 200 vorgesehen. Durch den äußeren Spalt 430 sind die erste äußere Beschichtung 410 und die zweite äußere Beschichtung 420 elektrisch voneinander isoliert.
  • Figur 2 zeigt einen Schnitt durch einen Abschnitt der Mantelfläche 230 der Kavität 200 des HF-Resonators 100 im Bereich des inneren Spalts 330 und des äußeren Spalts 430. Es ist erkennbar, dass der äußere Spalt 430 sich in Längsrichtung 201 an der gleichen Position befindet wie der innere Spalt 330. In radiale Richtung 202 ist der äußere Spalt 430 dem inneren Spalt 330 benachbart. Der äußere Spalt 430 ist ringförmig umlaufend an der Außenseite 250 der Mantelfläche 230 angeordnet. Falls sich der innere Spalt 330 in Längsrichtung 201 der Kavität 200 in der Mitte zwischen der ersten Deckfläche 210 und der zweiten Deckfläche 220 befindet, so ist auch der äußere Spalt 430 bevorzugt mittig zwischen der ersten Deckfläche 210 und der zweiten Deckfläche 220 angeordnet. Die Breite des äußeren Spalts 430 in Längsrichtung 201 entspricht bevorzugt im Wesentlichen der Breite des inneren Spalts 330 in Längsrichtung 201.
  • Die erste äußere Beschichtung 410 und die zweite äußere Beschichtung 420 sind ebenfalls jeweils ringförmig umlaufend an der Außenseite 250 der Mantelfläche 230 angeordnet. Die ringförmig ausgebildeten äußeren Beschichtungen 410, 420 sind dabei bevorzugt senkrecht zur Längsrichtung 201 der Kavität 200 orientiert. Die Breite der ersten äußeren Beschichtung 410 in Längsrichtung 201 sowie die Breite der zweiten äußeren Beschichtung 420 in Längsrichtung 201 entspricht bevorzugt etwa der Breite des äußeren Spalts 430 in Längsrichtung 201 der Kavität 200. Die erste äußere Beschichtung 410 und die zweite äußere Beschichtung 420 können jedoch in Längsrichtung 201 auch eine größere Breite oder eine geringere Breite als der äußere Spalt 430 aufweisen. Bevorzugt ist die Breite der ersten und zweiten äußeren Beschichtung 410, 420 in Längsrichtung 201 klein gegen eine Wellenlänge einer in der Kavität 200 anregbaren elektromagnetischen Schwingungsmode.
  • Die erste äußere Beschichtung 410 ist durch die dielektrische Mantelfläche 230 gegen die erste innere Beschichtung 310 isoliert. Die zweite äußere Beschichtung 420 ist durch die dielektrische Mantelfläche 230 gegen die zweite innere Beschichtung 320 isoliert. Die erste innere Beschichtung 410, die dielektrische Mantelfläche 230 und die erste innere Beschichtung 310 bilden einen ersten Kondensator. Die zweite äußere Beschichtung 420, die dielektrische Mantelfläche 230 und die zweite innere Beschichtung 320 bilden einen zweiten Kondensator. Der erste und der zweite Kondensator bewirken eine kapazitive Kopplung zwischen der ersten äußeren Beschichtung 410 und der ersten inneren Beschichtung 310 bzw. zwischen der zweiten äußeren Beschichtung 420 und der zweiten inneren Beschichtung 320. Eine zwischen der ersten äußeren Beschichtung 410 und der zweiten äußeren Beschichtung 420 angelegte elektrische Spannung wird kapazitiv in die erste innere Beschichtung 310 und die zweite innere Beschichtung 320 eingekoppelt, so dass eine zwischen der ersten äußeren Beschichtung 410 und der zweiten äußeren Beschichtung 420 angelegte elektrische Spannung eine im Wesentlichen gleiche elektrische Spannung zwischen der ersten inneren Beschichtung 310 und der zweiten inneren Beschichtung 320 bewirkt.
  • Der HF-Resonator 100 umfasst eine Antriebseinrichtung 500, die dazu vorgesehen ist, hochfrequente elektromagnetische Leistung in die Kavität 200 des HF-Resonators 100 einzukoppeln. Die Antriebseinrichtung 500 ist hierzu dafür ausgebildet, eine hochfrequente elektrische Spannung zwischen der ersten äußeren Beschichtung 410 und der zweiten äußeren Beschichtung 420 anzulegen. Die Antriebseinrichtung 500 weist bevorzugt einen Festkörper-Leistungstransistor oder einen anderen Festkörperschalter auf. Besonders bevorzugt umfasst die Antriebseinrichtung 500 eine Mehrzahl von Festkörper-Leistungstransistoren, die ringförmig im Bereich des äußeren Spalts 430 umlaufend an der Außenseite 250 der Mantelfläche 230 der Kavität 200 angeordnet sind.
  • Wird durch die Antriebsvorrichtung 500 eine hochfrequente elektrische Wechselspannung zwischen der ersten äußeren Beschichtung 410 und der zweiten äußeren Beschichtung 420 angelegt, so tritt wegen der kapazitiven Kopplungen zwischen den äußeren Beschichtungen 410, 420 und den inneren Beschichtungen 310, 320 auch eine hochfrequente elektrische Wechselspannung zwischen der ersten inneren Beschichtung 310 und der zweiten inneren Beschichtung 320 auf. In der ersten inneren Beschichtung 310 und der zweiten inneren Beschichtung 320 regt die eingekoppelte hochfrequente elektrische Spannung einen hochfrequenten elektrischen Stromfluss an.
  • Entspricht die Frequenz der durch die Antriebsvorrichtung 500 zwischen der ersten äußeren Beschichtung 410 und der zweiten äußeren Beschichtung 420 angelegten Wechselspannung einer Resonanzfrequenz des HF-Resonators 100, so bewirkt der in den inneren Beschichtungen 310, 320 induzierte Stromfluss eine Anregung einer resonanten hochfrequenten Schwingungsmode im Inneren der Kavität 200.
  • Somit gestattet es die Antriebsvorrichtung 500, hochfrequente elektromagnetische Leistung kapazitiv in die Kavität 200 des HF-Resonators 100 einzukoppeln, um eine resonante hochfrequente Schwingung im Inneren der Kavität 200 anzuregen und zu verstärken.
  • Vorteilhafterweise dient die Kavität 200 des HF-Resonators 100 gleichzeitig als zu evakuierendes Gefäß und als Träger für die elektrisch leitende innere Beschichtung 300. Durch die Möglichkeit einer kapazitiven Anregung erfordert die Kavität 200 keine elektrisch leitenden Durchbrüche und daher auch keine schwierig abzudichtenden Metall-Keramik-Übergänge.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (11)

  1. HF-Resonator (100) mit einer zylindrischen Kavität (200) aus einem dielektrischen Material,
    wobei eine Innenseite (240) der Kavität (200) eine elektrisch leitende Beschichtung (300) aufweist, die durch einen ringförmig eine Mantelfläche (230) der Kavität (200) umlaufenden elektrisch isolierenden Spalt (330) in eine erste innere Beschichtung (310) und eine zweite innere Beschichtung (320) unterteilt ist,
    wobei eine Außenseite (250) der Kavität (200) eine elektrisch leitende erste äußere Beschichtung (410) und eine elektrisch leitende zweite äußere Beschichtung (420) aufweist,
    wobei die erste äußere Beschichtung (410) und die zweite äußere Beschichtung (420) elektrisch voneinander isoliert sind,
    wobei der HF-Resonator (100) eine Einrichtung (500) umfasst, die dazu vorgesehen ist, eine hochfrequente elektrische Spannung zwischen der ersten äußeren Beschichtung (410) und der zweiten äußeren Beschichtung (420) anzulegen.
  2. HF-Resonator (100) gemäß Anspruch 1,
    wobei der ringförmig umlaufende Spalt (330) senkrecht zu einer Längsrichtung (201) der zylindrischen Kavität (200) orientiert ist.
  3. HF-Resonator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die erste äußere Beschichtung (410) und die zweite äußere Beschichtung (420) die Mantelfläche (230) der Kavität (200) jeweils ringförmig umlaufen.
  4. HF-Resonator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die erste äußere Beschichtung (410) in einer senkrecht zur Mantelfläche (230) der Kavität (200) orientierten Richtung (202) der ersten inneren Beschichtung (310) benachbart ist.
  5. HF-Resonator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die zweite äußere Beschichtung (420) in einer senkrecht zur Mantelfläche (230) der Kavität (200) orientierten Richtung (202) der zweiten inneren Beschichtung (320) benachbart ist.
  6. HF-Resonator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Einrichtung (500) einen Festkörper-Leistungstransistor umfasst.
  7. HF-Resonator (100) gemäß Anspruch 6,
    wobei die Einrichtung (500) eine Mehrzahl von Festkörper-Leistungstransistoren umfasst, die ringförmig um die Mantelfläche (230) der Kavität (200) angeordnet sind.
  8. HF-Resonator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei das dielektrische Material ein Glas oder eine Keramik ist.
  9. HF-Resonator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Kavität (200) eine Kreiszylinderform aufweist.
  10. HF-Resonator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Kavität (200) ausgebildet ist, auf einen gegenüber einer Umgebung der Kavität (200) reduzierten Luftdruck evakuiert zu werden.
  11. Teilchenbeschleuniger zum Beschleunigen elektrisch geladener Teilchen,
    wobei der Teilchenbeschleuniger einen HF-Resonator (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
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