Cavity

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Der Cavity-Resonator

(auch Hohlraumresonator oder Kavität genannt. Mehrzahl (Plural) im Deutschen (als Lehnwort): Cavitys)

Man kann sich einen Cavity-Resonator als einen für Mikrowellenanwendung optimierten L-C-Schwingkreis vorstellen (siehe nachfolgende Abbildungen). Für höhere Frequenzen muss man die Induktivität und die Kapazität des in a) dargestellten Schwingkreises verringern. Das erreicht man beispielsweise durch den Einsatz einer Induktivität mit nur 1/2 Windung und einem einfachen Plattenkondensator. Siehe b). Will man die Resonanzfrequenz weiter steigern, so schaltet man noch eine weitere Induktivität parallel und vergrößert den Plattenabstand des Kondensators. Siehe c). Die Resonanzfrequenz läßt sich noch weiter steigern, indem man noch weitere Induktivitäten parallel schaltet, bis letztendlich ein hohler Toroid entsteht, wie in d) gezeigt.

a)
Cavity a.bmp
b) Cavity b.bmp
c)
Cavity c.bmp
d) Cavity d.bmp


Das magnetische Feld ist im Umfang und das elektrische Feld im Zentrum des Toroids konzentriert. Bei Resonanz schwingt die Energie - genau wie bei einem Schwingkreis - zwischen den beiden Feldformen hin und her. Ersetzt man den Parallelplattenbereich des in d) dargestellten Cavitys durch parallele Gitter, so kann man einen Elektronenstrahl durch das Cavity-Zentrum schicken. Für höhere Leistungen müssen die Cavity-Gitter jedoch entfernt werden damit sie der Elektronenstrahl nicht zerstört. Die natürliche Weiterentwicklung von d) ist in Abbildung e) dargestellt.

e)
Cavity f.bmp
f) Cavity e.bmp


Um die Fabrikation zu vereinfachen, verwendet man üblicherweise Cavities wie in f) gezeigt. Dieser Typ wird oft als "doubly re-entrant cavity" bezeichnet. Die Enden des Elektronen-Strahlrohrs (Driftröhre) sind die re-entrant-Bereiche des Cavitys. Die Driftröhrenkragen stellen die Cavity-Kapazität dar. Die Form des elektrischen Feldes (gestrichelte Linien in f) ist im gitterlosen Cavity zwar nicht so wohldefiniert wie im Cavity mit Gitter, es existiert jedoch im Zentralbereich des Cavitys und kann somit mit dem Elektronenstrahl wechselwirken.

Die nachstehenden Abbildungen zeigen zu Demonstrationszwecken aufgeschnittene, reale Cavities. In g) ist das Eingangs-Cavity eines Klystrons zu sehen. Es ist ein "doubly re-entrant cavity" wie schon in f) skizziert. Noch deutlicher als in der Skizze sind hier die Enden des Elektronen-Strahlrohrs mit dem Wechselwirkungsspalt (Gap) für die Elektronen zu erkennen. Im Bild g) links neben dem unteren Strahlrohrende befindet sich die Koppelschleife zur Einkopplung der Hochfrequenzleistung in das Cavity. In h) sind zwei aufgeschnittene Cavity-Zellen eines 5-zelligen Cavitys zur Teilchenbeschleunigung zu sehen. Auch bei diesem Cavity handelt es sich um ein "doubly re-entrant cavity"; allerdings ist die Re-Entrant-Struktur hier nicht so deutlich ausgeprägt.


g)
Bunching-Prozess bei Klystron.bmp
h) Cavity h.bmp