Einkopplung

Aus Mhfe-wiki
Wechseln zu: Navigation, Suche

Schlagworte: Koppler, Coupler, Input Coupler, IPC, Cavity-Koppler


Für den Betrieb von Beschleunigeranlagen werden Hochfrequenzresonatoren (engl. Cavity) der verschiedensten Formen eingesetzt, um Teilchenpakete zu beschleunigen. Ein Hohlraumresonator ist im einfachsten Fall ein geschlossener Hohlraum aus Metall. Aufgrund der Metallwände können sich in einem solchen Resonator stehende elektromagnetische Wellen ausbilden. Um eine stehende elektromagnetische Welle anzuregen, muss Energie eingekoppelt werden. Dazu dient die HF-Einkopplung (auch Einkoppler, Coupler RF-Coupler oder Input Coupler) genannt. Die Einkopplung muss gewöhnlich auch das Vakuum innerhalb des Hochfrequenzresonators von der umgebenden Atmosphäre trennen. Dazu dient gewöhnlich eine Keramikscheibe oder auch - je nach Konstruktion- ein Keramikzylinder. Die Keramik muss die einzukoppelnde Hochfrequenzleistung möglichst verlustlos übertragen und dabei absolut vakuumdicht sein. Die Keramik wird deshalb auch als HF-Fenster (RF-Window) bezeichnet. Vielfach bezeichnet man auch die gesamte Einheit von Einkopplung inklusive Keramik-Fenster einfach als HF-Fenster.

Ersatzschaltbild

Nachfolgende Abbildung zeigt eine Kavität, die über das Magnetfeld des Stromes auf der skizzierten Koppelschleife, gepeist wird. Die Koppelschleife bildet das Ende einer Koaxleitung. Die Kavität soll reflexionsfrei an die Koaxleitung angepasst sein. Der Strom auf der Koaxleitung ist deshalb gleich dem Strom auf der Koppelschleife. Die Koaxleitung verbindet die Koppelschleife mit dem sogenannten "Doorknob" (zu deutsch "Türknauf". Der Name rührt von der Ähnlichkeit mit selbigem her). Zwischen Doorknob und Koppelschleife sitzt das Vakuumfenster. Es ist konstruktiv so ausgeführt, dass es dieselbe Impedanz wie die Koaxleitung hat und kann deshalb in dieser Betrachtung ignoriert werden. Der Doorknob dient zu Transformation der Hohlleiterwelle in eine koaxiale Leitungswelle. Die Hohlleiterleitung stellt die Verbindung zum Generator (Sender) her.

Einkopplung 2.bmp


  • UG: Generatorspannung; vom speisenden Generator (Sender) auf der Hohlleiterleitung erzeugte Spannung (el. Feldstärke x Hohlleiter-Höhe).
  • UK: Kopplerspannung; Spannung auf der koaxialen Leitung zwischen Doorknob und Koppelschleife.
  • UC: Cavity-Spannung; Spannung auf der Längsachse der Kavität (el. Feldstärke x Zellenlänge)

Aufgrund der unterschiedlichen Wellenwiderstände sind die Spannungen (und Ströme) längs des skizzierten Leitungsweges örtlich verschieden. Das Produkt aus Strom und Spannung ist wegen der vernachlässigbaren Leitungsverluste örtlich unabhängig.


Eine Änderung der Leitungsgeometrie, welche Leistung überträgt, dabei keine Leistung absorbiert aber das Verhältnis von Spannung zu Strom verändert, nennt man Transformator. Den Doorknob oder das Cavity mit der Koppelschleife kann man daher als Transformator bezeichnen und im Ersatzschaltbild auch so darstellen. Die nachfolgende Abbildung zeigt das elektrische Ersatzschaltbild des weiter oben gezeigten Aufbaus.


Einkopplung 3.bmp


Beispiel:

Berechnung der Spannungen, Ströme und Übersetzungsverhältnisse Über einen Hohlleiter wird ein Cavity mit einer HF-Leistung von PG=100kW gespeist. Da der Einkoppler koaxial ausgeführt ist, muss die Hohlleiterwelle in eine Koaxialleitungswelle transformiert werden. Die Transformation geschieht in dem Doorknob. Der Doorknob wirkt wie ein Transformator im herkömmlichen Sinne. Er überträgt nahezu verlustfrei elektrische Leistung und setzt sie in ein anderes Strom-Spannungs-Verhältnis um. Das Übersetzungsverhältnis ist dabei so gewählt, dass der Wellenwiderstand des Hohlleiters von ZL= 500Ω auf den Wellenwiderstand des koaxialen Einkopplers von ZL=50Ω transformiert wird. Bei bekannter Leistung PG kann man mit ZL den Strom und die Spannung auf der Leitung berechnen.



Strom und Spannung im Hohlleiter:


UG=√(PG*ZL) = √(100kW*500Ω) = 7,07kVeff

IG=√(PG/ZL) = √(100kW / 500Ω) = 14,1Aeff



Der Doorknob ist wie bereits mehrfach erwähnt ein Transformator. Er überträgt nahezu verlustfrei elektrische Leistung und wandelt sie in ein anderes Strom-Spannungs-Verhältnis um. Aus dem Verhältnis der Ströme oder Spannungen lässt sich das Übersetzungsverhältnis des Doorknobs (Transformators) berechnen.

üDer Doorknob ist wie bereits mehrfach erwähnt ein Transformator. Er überträgt nahezu verlustfrei elektrische Leistung und wandelt sie in ein anderes Strom-Spannungs-Verhältnis um. Aus dem Verhältnis der Ströme oder Spannungen lässt sich das Übersetzungsverhältnis des Doorknobs (Transformators) berechnen.

üDoorknob = UG/UK = IK/IG = √(500Ω / 50Ω) = 3,16


Auch der Einkoppler selbst wirkt wie ein Transformator. Er koppelt die Generatorleistung über das Magnetfeld seiner stromdurchflossenen Koppelschleife in das Cavity ein. Das Cavity wird erregt und es stellt sich eine Cavity-Spannung ein, die - entsprechend der Shunt-Impedanz- viel größer als die Spannung an der Koppelschleife ist.

Die Spannung im Cavity beträgt:

UC = √(PG*RS) = √(100kW*15MΩ) = 1,22MVeff


Der Strom im Verlustwiderstand des Ersatzschaltbildes beträgt:

IC=√(PG/RS) = √(100kW / 15MΩ) = 81,6mAeff


Damit ergibt sich für das Übersetzungsverhältnis:

üKoppler = UC/UK = IK/IC = √(15MΩ / 50Ω) = 548