PETRA-Koppler

Aus Mhfe-wiki
Wechseln zu: Navigation, Suche

Schlagworte:
Koppler, Coupler, Input Coupler, IPC, Cavity-Koppler, Fensterverluste, Fenstertemperatur, Verlustleistung, Keramikverluste, Fensterkeramik

Beschreibung der PETRA-Einkopplung

Quelle: Interner Bericht DESY PET-77/08 August 1977 "Das PETRA-Cavity"

Entwicklungsgeschichte

Die Einkopplung der Hochfrequenzleistung in die Beschleunigungsstrukturen erfolgt, wie bei den DORIS-Resonatoren auch, über koaxiale Koppelfenster aus Aluminiumoxydkeramik. Da das DORIS- Fenster bereits bis zu einer Durchgangsdauerstrichleistung von 140 kW geprüft worden ist, wurde der wesentliche Teil, nämlich die mit den dünnwändigen Kupferteilen verlötete Keramikscheibe für die PETRA-Einkopplung übernommen (im Foto mit 19 bezeichnete Baugruppe). Andere Teile mußten gegenüber der DORIS- Ausführung abgeändert werden, da die Abmessungen, insbe­sondere mit dem dort verwendeten Koaxial- Hohlleiter-Übergang, für den Einsatz in dem sehr engen PETRA- Tunnel zu groß sind. Die Längsabmessungen des Fensters wurden verkürzt und der Hohlleiter wird mit einer Klemmflanschanordnung direkt vom Fensterflansch aufgenommen, wie es die Schnittzeichnung zeigt. Die Keramikstützscheibe dient zur Entlastung der Keramik- Metall- Verlötung von mechanischen Biegekräften und sorgt außerdem dafür, dass der konzentrisch zugeführte Kühlluftstrom gleichmäßig über die Keramikfläche geleitet wird. Außenleiter und Innenleiterkonus sind mit einer Wasserkühlung versehen. Die Einkopplung wird mit einem Drehflansch an der Beschleunigungsstruktur montiert, so dass die erforderliche Kopplung durch Drehung der Einheit vor der endgültigen Verschraubung eingestellt werden kann. Die Transformation der elektromagnetischen Wellen vom Hohlleiter auf das koaxiale Fenster geschieht über ein aus Kupfer gedrücktes Formteil, welches mit einem verkupfertem Edelstahlring verlötet ist, und mit der dem Fenster abgewandten Seite des Hohlleiters verschraubt wird (im Foto mit 2 bezeichnetes Bauteil). Dieses Kupferteil ist in Achsvorrichtung elastisch und so geformt, dass es auftretende mechanische Kräfte aufnehmen kann. Diese Einkopplungen wurden an PETRA- Beschleunigungsstrukturen mit einer Durchgangsdauerstrichleistung von über 200 kW, an anderer Stelle sogar mit über 500 kW belastet.

Kühlung

Wasserkühlung

Unter normalen Betriebsbedingungen werden etwa 0,25% der Cavity-Vorlaufleistung in den wassergekühlten Teilen Einkopplung umgesetzt (im Wesentlichen in Koppelschleife und Mittelleiter). Bei einer Cavity-Vorlaufleistung von 250kW und vernachlässigbarer Rücklaufleistung treten im Kühlwasserkreis etwas über 600W Verlustleistung auf. Bei einem typischen Kühlwasser-Volumenstrom von 300l/h beträgt die Kühlwasser-Differenztemperatur Trück - Tvor = 2°C. In extremen Betriebszuständen kann die Verlustleistung auf das 10fache ansteigen. Per Interlock sollte die Verlustleistung auf 1,5kW begrenzt werden. Gewöhnlich überwacht man dazu die Temperaturerhöhung des Kühlwassers. Bei einem Volumenstrom von 300 l/h ergibt das eine maximal zulässige Temperaturerhöhung des Kühlwassers von 5°C.


Luftkühlung

Zur Kühlung der Keramikscheiben der Fenster ist ein Luftstrom von mindestens 15m³/h erforderlich. Typisch sind 25m³/h. Der Druckverlust beträgt mindestens 30hPa. Per Interlock muss die maximal zulässige Verlustleistung überwacht werden. Gewöhnlich überwacht man dazu die Temperaturerhöhung der Kühlluft. Zur Festlegung eines Grenzwertes muss man auf Erfahrungswerte zurückgreifen.

Philips schrieb für seine Klystrons vom Typ YK-1304 bei Pout=850kW eine maximale Temperaturerhöhung der Fensterkühlluft von 35°C bei einem Luftstrom von 120m³/h vor (Fensterkeramik ist identisch mit der des PETRA-Kopplers). Daraus berechnet sich eine maximal zulässige Fensterverlustleistung von 1,5kW. Bezogen auf die Durchgangsleistung von 850kW bedeutet das einen Maximalverlust von 0,2% oder 2W/kW.

Skaliert man das Ergebnis auf den PETRA-Koppler (Pvor =250kW, QLuft =25m³/h), so ergibt sich eine maximal zulässige Temperaturerhöhung der Fensterkühlluft von 50°C.

Näheres zu Messung und Berechnung siehe: Kalorimetrische Leistungsmessung

Fensterverluste

Welche Fensterverluste sind normal?

Im Mittel liegen die Fensterverluste aller bisher gemessenen PETRA-Koppler bei 1,25 W/kW (Stand April 2009)

betrachtet man nur die Fensterverluste der Koppler, die im Test mehr als 250kW Durchgangsleistung erreicht haben, dann liegt der Mittelwert bei 1,16 W/kW und die Schwankungsbreite zwischen min: 0,68 W/kW und max: 2,02 W/kW.

  • 90% liegen im Bereich 0,74 W/kW bis 2,02 W/kW
  • 75% liegen im Bereich 0,85 W/kW bis 1,60 W/kW
  • 50% liegen im Bereich 0,99 W/kW bis 1,43 W/kW

Einkopplung Typ PETRA

Doorknob und Einkoppler in Einzelteilen

Einkopplung.bmp

Bezeichnung der Einzelteile


  1. Hohlleiterkasten (WR-1800)
  2. Doorknob (Busen)
  3. Klemmring zur Verbindung von Busen und Hohlleiterkasten
  4. Mittelleiterstück (Pornorohr)
  5. Kühlwasserrohr (Vorlauf)
  6. Kühlwasserrohr (Rücklauf)
  7. Schraubverbindung Doorknob mit Mittelleiterstück
  8. Schraubverbindung Mittelleiterstück mit Kompensationsstück
  9. Klemmring zur Verbindung von Hohlleiterkasten und Einkoppler
  10. Stützkeramik
  11. Anschlussflansch für Druckdose
  12. Kompensationsstück
  13. Anschlussflansch für Fensterkühlluft
  14. Außenleiter
  15. Vakuumfenster
  16. Vakuumflansch (Drehflansch)
  17. Konusoberteil
  18. Kopplelschleife
  19. Innenleiter
  20. Flansch
  21. Kragen für Vakuumfenster
  22. Hohlleiter-Kurzschlussplatte

Schnitt Doorknob und Einkoppler

Einkopplung 1.bmp