高周波発生器

本発明は、請求項1の上位概念事項による高周波発生器および請求項16による高周波発生器を有する粒子加速器に関する。

高周波出力をテトロード管、クライストロン又はその他の装置により発生させることは公知である。更に、高周波出力を導波管、例えば中空導波管により伝送することは公知である。従来の方法によれば、高周波出力が第1の場所で発生させられて、導波管により第2の場所に伝送され、その高周波出力が、例えば減衰器又は誘導結合器により、例えば空洞に導入される。しかし、このような装置では、結合箇所に必然的に出力損失が発生する。更に、この種の装置は大きな占有スペースを要求する。

更に、高周波電磁振動を空洞内で励起するために、駆動装置を組み込まれた高周波空洞を設けることは公知である。このような高周波空洞は特許文献1に記載されている。

欧州特許出願公開第0606870号明細書

本発明の課題は、高周波出力の発生および発生させられた高周波出力の伝送が同一の装置によって行われる装置を提供することにある。

この課題は、請求項1の特徴事項によって解決される。更に、本発明の課題はこの種の高周波発生器を有する粒子加速器を提供することにある。この課題は請求項16の特徴事項を有する粒子加速器によって解決される。好ましい実施形態は従属請求項に示されている。 本発明による高周波発生器は、導電壁を備えた中空導波管を有し、導電壁が第1のスリットを有する。第1のスリットを横切って高周波電圧を印加するために、第1の固体スイッチが第1のスリットの上を跨いで配置されている。有利なことに、この高周波発生器においては、高周波出力が直接に高周波出力を伝送する中空導波管内において励起される。それによって高周波発生器の複雑さおよび製造コストが低減する。他の利点は、高周波出力の発生のための従来装置に比べて高められた柔軟性を提供しかつコンパクトに低コストで構成できる固体スイッチが使用できるということにある。

中空導波管が円形断面を有することが好ましい。有利なことに、円形断面を有する中空導波管は格別に適切な振動モードを有する。

他の実施形態では中空導波管が方形断面を有する。有利なことに、方形断面を有する中空導波管も高周波振動の伝送に好適である。

高周波発生器が、中空導波管内にTE10振動モードを励起するように構成されていることが好ましい。

第1の固体スイッチが第1の遮蔽ケーシング内に配置されているのが適切である。有利なことに、それによって高周波出力の放射が低減される。

高周波発生器の発展形態では、高周波発生器が、第1の位相制御信号を発生するように構成されている位相信号装置を含む。更に、高周波発生器が、第1の固体スイッチに第1の位相制御信号を供給するように構成されている。有利なことに、固体スイッチは、出力される高周波電圧を位相制御信号と同期させることができる。

高周波発生器の好ましい実施形態では、第2の固体スイッチが第1のスリットの上を跨いで配置されている。有利なことに、多量の高周波出力を発生させることができる。発生する高周波出力を更に高めるために、第1のスリットの上を跨いで、第1および第2の固体スイッチに並列になおも別の固体スイッチを配置することもできる。

好ましくは、第1および第2の固体スイッチが共通な遮蔽ケーシング内に配置されている。有利なことに、その遮蔽ケーシングによって、固体スイッチにより放射される高周波出力が低減される。

高周波発生器が、第2の固体スイッチにも第1の位相制御信号を供給するように構成されていることが望ましい。有利なことに、第1および第2の固体スイッチが、互いにかつ位相制御信号に同期して、中空導波管内において高周波出力を結合することができる。

高周波発生器の発展形態では、導電壁が第2のスリットを有し、第3の固体スイッチが第2のスリットの上を跨いで配置されている。有利なことに、それによっても、高周波発生器により発生可能な高周波出力を高めることができる。

高周波発生器の代替的実施形態では、第3の固体スイッチが第1のスリットの上を跨いで配置されている。有利なことに、それによっても、高周波発生器により発生可能な高周波出力を高めることができる。

第3の固体スイッチが第2の遮蔽ケーシング内に配置されているようにすることが望ましい。有利なことに、第3の固体スイッチによって放射される高周波出力も低減される。

高周波発生器の付加的な発展形態では、位相制御装置が、更に第2の位相制御信号を発生するように構成されていて、高周波発生器が、第3の固体スイッチに第2の位相制御信号を供給するように構成されている。有利なことに、第2の固体スイッチが第2の位相制御信号に同期して高周波電圧を出力することができる。

位相制御装置が、互いに180°の位相差を有する第1の位相制御信号および第2の位相制御信号を発生するように構成されていることが特に有効である。

高周波発生器の発展形態では、中空導波管が空洞に結合されている。有利なことに、高周波発生器によって発生させられた高周波出力を、中空導波管を介して空洞に導くことができる。

本発明による粒子加速器は上述の様式の高周波発生器を有する。有利なことに、高周波発生器によって発生させられた高周波出力を荷電粒子の加速のために使用することができる。

以下において、添付図面に基づいて本発明を更に詳細に説明する。

第1の実施形態の高周波発生器の第1の斜視図を示す図である。

第1の実施形態の高周波発生器の第2の斜視図を示す図である。

第1の実施形態の高周波発生器の断面図を示す図である。

第1の実施形態の高周波発生器の上面図を示す図である。

第2の実施形態の高周波発生器の第1の斜視図を示す図である。

第2の実施形態の高周波発生器の第2の斜視図を示す図である。

第2の実施形態の高周波発生器の断面図を示す図である。

第2の実施形態の高周波発生器の上面図を示す図である。

図1は第1の実施形態による高周波発生器100の概略斜視図を示す。高周波発生器100は高周波電磁波を発生するために用いられる。高周波発生器100によって発生させられた高周波出力は、例えば荷電粒子を加速するための粒子加速器において使用される。

高周波発生器100は中空導波管200を含む。中空導波管200は、ほぼ中空円筒状に形成されており、導電材料、好ましくは金属から成る。円筒状の中空導波管200の軸方向が長手方向201を定める。長手方向201に対して垂直に半径方向202が延びている。中空導波管200は円形断面を有する。しかし、中空導波管200は、楕円形又はその他の断面を有するものとしてもよい。

円筒状の中空導波管200の外周面は壁250によって構成されている。中空導波管200内で電磁振動モードが励起されると、壁250に位置および時間に依存した電流が流れる。これらの電流の空間的および時間的な経過は、中空導波管200内で励起された振動モードに依存し、算定可能であり、専門家には知られている。

高周波発生器100の中空導波管200の壁250は、第1のスリット210および第2のスリット220を有する。スリット210,220は、中空導波管200内で所望の振動モードが励起された際に大きな電流が流れる壁250の位置に配置されている。スリット210,220が延びている方向は電流の流れ方向に対して垂直に向けられている。図示の例では、スリット210,220は長手方向201に平行に向けられている。しかしスリット210,220は、異なった方向に向けられているようにしてもよい。

中空導波管200の壁250内の第1のスリット210には、第1グループ300の固体スイッチが配置されている。図示の例では、第1グループ300が第1の固体スイッチ310と第2の固体スイッチ320とを含む。しかし、第1グループ300が単に固体スイッチ310しか含まないようにしてもよい。しかし、通常、第1グループ300は、少なくとも2つの固体スイッチ310,320を含んでいる。

固体スイッチ310,320は、それぞれ第1の出力端子311と第2の出力端子312を有し(図3)、両出力端子311,312間において高周波電圧を印加しかつ高周波電流をスイッチングするように構成されている。このために固体スイッチ310,320は、例えば固体トランジスタを有するものであることが望ましい。或いは、固体スイッチ310,320は、それとは異なる構成であってもよい。固体スイッチの概念は、この意味において限定的に解釈すべきではない。

第1の固体スイッチ310および第2の固体スイッチ320は、それぞれ、第1のスリット210の第1側面211における壁250の部分と、第1のスリット210の第2側面212における壁250の部分とに、固体スイッチ310,320が第1のスリット210を横切って高周波電圧を印加することができるように導電接続されている。それによって、壁250内に流れる電流が励起され、これらの電流が更に中空導波管200内に振動モードを励起する。

高周波発生器100の中空導波管200の壁250の第2のスリット220の上を跨いで、第3の固体スイッチ410と第4の固体スイッチ420とを含む第2グループ400の固体スイッチが配置されている。この第2グループ400も、2よりも多い又は少ない個数の固体スイッチ410,420を含むことができる。第2グループ400の固体スイッチ410,420によっても、中空導波管200の壁250内に電流を励起させることができ、これらの電流がここでも中空導波管200において振動モードを励起する。

図4に示されている高周波発生器100の上面図において認識できるように、高周波発生器100の中空導波管200の壁250が、図1では視認できない第3のスリット230と、図1では視認できない第4のスリット240とを有する。第3のスリット230は半径方向202において第1のスリット210と向かい合っている。第4のスリット240は半径方向202において第2のスリット220と向かい合っている。第3のスリット230の上を跨いで、固体スイッチの第3グループ500が配置されている。第4のスリット240の上を跨いで、固体スイッチの第4グループ600が配置されている。

中空導波管200の壁250は更に別のスリットを含むことができ、これらの別のスリットの上を跨いで、それぞれ同様に固体スイッチグループが配置されている。全てのスリットは、中空導波管200の壁250に、次のように配置されている。即ち、固体スイッチにより壁250内に電流が励起可能であり、それらの電流が中空導波管200内における所望の振動モードの励起をもたらすように配置されている。

図2は、高周波発生器100の他の概略斜視図を示す。図2は、中空導波管200の壁250の第1スリット210における第1グループ300の固体スイッチ310,320が遮蔽ケーシング330内に配置されていることを示す。同様に、第2グループ400の固体スイッチ410,420が第2の遮蔽ケーシング430内に配置されている。遮蔽ケーシング330,430導電材料、好ましくは金属から成る。これらの遮蔽ケーシングは壁250に導電接続されており、固体スイッチ310,320,410,420から放射される電磁出力を遮蔽するのに役立つ。それによって高周波発生器100の放射損失が減少する。更に、それによって高周波発生器100の周辺内のその他の装置に対して起こり得る高周波発生器100の障害作用が減少する。

図2の概略図において、遮蔽ケーシング330,430は半径方向202において外側に開いている。しかし、この表示は分かり易さのためにだけ選ばれている。遮蔽ケーシング330,430は、固体スイッチ310,320,410,420を完全に包囲することが好ましい。

第3のスリット230の上を跨いで配置されている固体スイッチの第3グループ500は、第3の遮蔽ケーシング530内にある。第4のスリット240の上を跨いで配置されている固体スイッチの第4グループ600は、第3の遮蔽ケーシング630内にある。

図3は、高周波発生器100の長手方向に対して垂直な断面を示す。中空円筒体として形成された中空導波管200と、それの壁250とが認識される。壁250は第1のスリット210および第3のスリット230を有する。第3のスリット230は半径方向において第1のスリット210と向かい合っている。

第1のスリット210の上を跨いで第1グループ300の固体スイッチ310,320が配置されている。第1のグループ300の固体スイッチ310,320は第1の遮蔽ケーシング330内に配置されている。第1の固体スイッチ310だけが視認できる。第1の固体スイッチ310は、第1の出力端子311および第2の出力端子312を有する。第1の出力端子311は、第1のスリット210の第1側面211の側の壁250の部分と導電接続され、これに対して第2の出力端子312は、第1のスリット210の第2側面212の側の壁250の部分と導電接続されている。第1グループ300の第2の固体スイッチ320および他の全ての固体スイッチも、相応に壁250に接続された相応の出力端子311,312を有する。このことは残りのグループ400,500,600の固体スイッチについても当てはまる。

図4は、高周波発生器100の概略上面図を示す。固体スイッチ310,320の第1グループ300と、固体スイッチ410,420の第2グループ400、そして個体スイッチの第3グループ500並びに第4グループ600が示されている。

既に説明したように、中空導波管200の壁250に流れる電流は位置および時間に依存する。従って、ケーブル250のスリット210,220,230,240の位置において流れる電流は、各時点で互いに異なる位相を有する。従って、固体スイッチのグループ300,400,500,600は異なる位相を有する電流を励起しなければならない。個々のグループ300,400,500,600のそれぞれの固体スイッチは互いに同期して電流をスイッチングしなければならない。

高周波発生器100は概略的にしか示されていない位相制御装置110を有し、この位相制御装置110は複数の位相制御信号111,112,113,114を発生するように構成されている。位相制御信号111,112,113,114は、それぞれ同じ周波数を有するが、しかし互いに異なる位相を有する。第1の位相制御信号111は第1グループ300の固体スイッチに供給される。第2の位相制御信号112は第2グループ400の固体スイッチに供給される。第3の位相制御信号113は第3グループ500の固体スイッチに供給される。第4の位相制御信号114は第4グループ600の固体スイッチに供給される。高周波発生器100が、中空導波管200の壁250の他のスリットの上を跨いで配置されている他のグループの固体スイッチを含む場合、位相制御装置110は、他のグループの固体スイッチに供給する他の位相制御信号を出力する。

グループ300,400,500,600の各固体スイッチは、当該固体スイッチから出力端子311,312を介して出力される電圧を、当該固体スイッチに供給される位相制御信号111,112,113,114に同期して、スイッチングするように構成されている。つまり、第1グループ300の固体スイッチは、壁250内に、第1の位相制御信号111に同期して電流を励起する。第2グループ400の固体スイッチは、第2の位相制御信号112に同期して電流を励起する。それに対応して第3グループ500および第4グループ600の固体スイッチも動作する。

中空導波管200の壁250におけるスリット210,220,230,240が設けられている位置の選択と、位相制御信号111,112,113,114の相互の位相関係の選択とによって、高周波発生器100の中空導波管200においてどの振動モードが励起できるかが定められる。

同様に、分離されたスリット210および220、もしくは230および240の代わりに、それぞれ1つのみの通しのスリットを中空導波管200の各側に設けることもできる。その場合に各スリットに1つ又は複数のグループの固体スイッチを配置することができる。

図5は、第2の実施形態による高周波発生器1100の概略斜視図を示す。高周波発生器1100は、高出力を有する高周波電磁波を生成するために使用される。高周波発生器1100によって生成させられる高周波出力も、例えば荷電粒子を加速するための粒子加速器において利用することができる。

高周波発生器1100は中空導波管1200を含む。中空導波管1200は、基本的に中空円筒状に形成されており、導電材料、好ましくは金属から成る。円筒状の中空導波管1200の軸方向が長手方向1201を定める。中空導波管1200は方形断面を有する。

円筒状の中空導波管1200の外周面は壁1250によって形成されている。中空導波管1200内で電磁振動モードが励起されると、壁1250には位置および時間に依存した電流が流れる。それらの電流の空間的および時間的な経過は算定可能であり、専門家には知られている。

壁1250は、長手方向1201に延びる中空導波管1200の狭幅側面1260に、第1のスリット1210を有する。中空導波管1200における狭幅側面1260と向かい合っている図5では視認できない他の狭幅側面が第3のスリット1230を有する。第1のスリット1210および第3のスリット1230は両方とも長手方向に延びている。中空導波管1200内で電磁振動モードが励起されると、中空導波管1200の壁1250に、スリット1210,1230に対して垂直に向いた電流が流れる。逆に、壁1250においてスリット1210,1230に対して垂直に経過する電流が励起されることによって、中空導波管1200内に電気振動モードが励起され得る。

図6は、第1のスリット1210に第1グループ1300の固体スイッチが配置されていることを示し、その第1グループは、第1の固体スイッチ1310と、第2の固体スイッチ1320と、他の固体スイッチとを含む。第1グループ1300の固体スイッチ1310,1320は、第1の遮蔽ケーシング1330内に配置されており、第1の遮蔽ケーシング1330は、第1グループ1300の固体スイッチを完全に包囲している。更に、第1のスリット1210に第2グループ1400の固体スイッチが配置されており、その第2グループは、第3の固体スイッチ1410と、第4の固体スイッチ1420と、他の固体スイッチとを含む。第2グループ1400の固体スイッチ1410,1420は、第2の遮蔽ケーシング1430内に配置されており、第2の遮蔽ケーシング1430は、第2グループ1400の固体スイッチ1410,1420を全空間方向において包囲している。これに対応して、第3のスリット1230に第3グループ1500の固体スイッチが第3の遮蔽ケーシング1530内に配置され、第4グループ1600の固体スイッチが第4の遮蔽ケーシング1630内に配置されている。

従って、第1の実施形態の高周波発生器100とは違って、第2の実施形態の高周波発生器1100の場合には、各スリット1210,1230に複数のグループ1300,1400,1500,1600の固体スイッチが配置されている。しかし、その第1のスリット1210の代わりに、2つの分離されたスリットを設け、第1のグループ1300を第1のスリットに配置し、第2グループ1400を第2のスリットに配置することもできる。これに対応して、第3のスリット1230も、2つ以上の分離されたスリットに置き換えることもできる。同様に第1のスリット1210および第3のスリットに、それぞれ2つよりも多いグループの固体スイッチを設けることもできる。各グループ1300,1400,1500,1600は任意の個数の固体スイッチを含むことができる。

第2の実施形態の高周波発生器1100の固体スイッチは、構成および動作態様において、第1の実施形態の高周波発生器100の固体スイッチに対応する。

図7は概略図にて高周波発生器の断面を示す。各スリット1210,1230の上を跨いで高周波電圧を印加するために、グループ1300,1400,1500,1600の各固体スイッチが、各グループ1300,1400,1500,1600に割り当てられたスリット1210,1230の両側の壁1250の部分に接続されていることが分かる。そこまでは、高周波発生器1100の構成は第1の実施形態の高周波発生器100の構成に一致する。

図8は高周波発生器1100の概略上面図を示す。第1グループ1300の固体スイッチ1310,1320と、第2グループ1400の固体スイッチ1410,1420と、第3グループ1500の固体スイッチと、第4グループ1600の固体スイッチとを有する中空導波管1200が認識できる。

更に、高周波発生器1100は、既に第1の実施形態の高周波発生器100との関連で説明した位相制御装置110を有する。中空導波管1200の壁1250に流れる電流は位置および時間に依存する。中空導波管1200において、例えばTE10振動モードが励起されると、第1グループ1300の固体スイッチの位置において流れる電流は、各時点で、第2グループ1400の固体スイッチの位置において流れる電流に対してちょうど180°だけ位相がずれている。これに対応することが、第3グループ1500の固体スイッチと第4グループ1600の固体スイッチとに当てはまる。

位相制御装置110は位相制御信号111,112,113,114を発生するように構成されている。第1の位相制御信号111は第1グループ1300の固体スイッチに供給される。第2の位相制御信号112は第2グループ1400の固体スイッチに供給される。第3の位相制御信号113は第3グループ1500の固体スイッチに供給される。第4の位相制御信号114は第4グルー1600の固体スイッチに供給される。

位相制御信号111,112,113,114は、それぞれ同じ周波数を有するが、しかし互いに位相がずらされている。高周波発生器1100の中空導波管1200において、例えばTE10振動モードを励起させようとする場合には、第1の位相制御信号111および第2の位相制御信号112が互いに180°だけずらされる。これと対応して、第3の位相制御信号113および第4の位相制御信号114は互いに180°だけ位相をずらされる。

高周波発生器100,1100の中空導波管200,1200において励起される電磁出力は、中空導波管200,1200を通して長手方向201,1201に伝送される。各中空導波管200,1200の長手方向端部において電磁出力が中空導波管200,1200から取り出される。例えば、中空導波管200,1200の長手方向端部に、高周波発生器100,1100によって発生させられた高周波出力が入射する空洞が配置されているとよい。適切な結合器が従来技術により公知である。高周波発生器100,1100によって発生させられた高周波出力は、荷電粒子を加速するための粒子加速器においても使用することができる。この場合、高周波発生器100,1100の中空導波管200,1200が、例えば粒子加速器の空洞に結合されているとよい。

100,1100 高周波発生器 110 位相制御装置 111〜114 位相制御信号 200,1200 中空導波管 201,1201 長手方向 202 半径方向 210,1210 第1のスリット 211,212 スリット側面 220,1210 第2のスリット 230,1230 第3のスリット 240 第4のスリット 250,1250 壁 300,1300 第1グループ 310,1310 第1の固体スイッチ 311,312 出力端子 320,1320 第2の固体スイッチ 330,1330 第1の遮蔽ケーシング 400,1400 第2グループ 410,1410 第3の固体スイッチ 420,1420 第4の固体スイッチ 430,1430 第2の遮蔽ケーシング 500,1500 第3グループ 530,1530 第3の遮蔽ケーシング 600,1600 第4グループ 630,1630 第4の遮蔽ケーシング 1260 狭幅側面