HF-Generatoren

Hochenergieübertragung mit RF-Generatoren in Hochenergiephysik-Forschungszentren

In Hochenergiephysik-Forschungszentren spielen HF-Generatoren (Hochfrequenz) eine entscheidende Rolle bei der Erzeugung der elektromagnetischen Wellen, die für verschiedene Forschungsanwendungen notwendig sind, darunter Teilchenbeschleunigung, Plasmaerzeugung und Heizung. Diese Generatoren wandeln elektrische Energie in Hochfrequenz-Signale um, die dann verwendet werden, um verschiedene Systeme in den Forschungszentren mit Energie zu versorgen.

HF-Systeme sind essentiell für die effiziente Übertragung der von Hochleistungs-Generatoren erzeugten Energie zu den vorgesehenen Anwendungen. Diese Systeme bestehen aus Koaxialleitern, Wellenleitern und anderen Komponenten, die so ausgelegt sind, dass sie Hochleistungs-Übertragung ohne signifikante Energieverluste handhaben können.

SPINNER-HF-Zuführungssysteme sind entscheidende Komponenten für die Übertragung von Hochenergie.

RF-Generatoren und ihre unterstützenden HF-Zuführungen sind in Hochenergiephysik-Forschungszentren von entscheidender Bedeutung, um Teilchenbeschleuniger, Plasmaheizungen und elektromagnetische Felder für verschiedene Experimente zu betreiben. Die wichtigsten Erfolgsfaktoren für diese Komponenten sind ihre Fähigkeit, Hochleistungs-Signale mit hoher Spannung zu handhaben, Verluste zu minimieren und die Impedanzanpassung beizubehalten. Der erfolgreiche Betrieb von HF-Systemen bildet die Grundlage für viele Experimente in der Fusionsenergie- und Teilchenphysikforschung weltweit, insbesondere in Einrichtungen wie CERN, ITER und SLAC. Die wichtigsten Funktionen sind:

• Leistungsübertragung: HF-Zuführungen transportieren HF-Signale von den Quellen zu den Beschleunigern. Das System muss Leistungsverluste minimieren, um eine effiziente Übertragung sicherzustellen.
• Impedanzanpassung: Eine ordnungsgemäße Impedanzanpassung zwischen der HF-Quelle, der Zuführung und der Kavität ist entscheidend, um Reflexionen und Leistungsverluste zu minimieren und so eine maximale Energieübertragung sicherzustellen.
• Phasenstabilität: In vielen Beschleunigern wird die Phase des HF-Signals mit den Teilchenpaketen synchronisiert. Das Zuführungssystem muss die Phasenstabilität aufrechterhalten, um eine konsistente Beschleunigung zu gewährleisten.
• Wärmemanagement: Hochleistungs-HF-Systeme erzeugen erhebliche Hitze. Das Zuführungssystem muss so ausgelegt sein, dass diese Hitze bewältigt wird, typischerweise durch Kühlsysteme oder hitzebeständige Materialien.
• Mechanische Stabilität: Die HF-Zuführleitungen müssen die strukturelle Integrität unter verschiedenen Betriebsbedingungen, einschließlich Hochvakuum, Temperaturschwankungen und mechanischen Belastungen, aufrechterhalten.
• Niedrige Verluste und hohe Effizienz: Das Zuführungssystem muss Verluste (sowohl resistive als auch dielektrische) minimieren, damit der größte Teil der Hochfrequenz-Leistung die Beschleunigungskavitäten erreicht.

Schlüsselkomponenten für die Hochenergieübertragung sind:

• Starre rechteckige Hohlleiter und starre Koaxialleitungen: Metallische Strukturen, die die HF-Leistung von den Klystrons oder Verstärkern zu den Beschleunigungskavitäten leiten. Hohlleiter müssen einen geringen Verlust aufweisen und präzise konstruiert sein, um die Phasenstabilität zu gewährleisten.
• Koaxialkabel: Koaxialkabel werden für die HF-Übertragung mit geringerer Leistung verwendet, spielen aber auch eine Rolle bei der Übertragung von HF-Signalen, insbesondere in Diagnose- und Kontrollsystemen.
• Richtungskoppler: Geräte, die eine kontrollierte Einspeisung von HF-Leistung in die Beschleunigerhohlräume ermöglichen. Der Kopplungsfaktor ist entscheidend für die Optimierung der Energieübertragung.
• Phasenverschieber: Geräte, die die Phase des HF-Signals anpassen, um es mit den Teilchenpaketen zu synchronisieren, was für die Aufrechterhaltung einer stabilen Beschleunigung entscheidend ist.
• Adapter: Geräte zum Verbinden von Hohlleitern mit unterschiedlichen Schnittstellen.
• Lasten: Lasten werden am Ende des Leistungspfads platziert und gewährleisten so den richtigen Abschluss. Dies reduziert störende Reflexionen und gewährleistet die maximale Leistung und Qualität des Gesamtsystems.
• Leistungskombinierer: Zusammenführung mehrerer Stromquellen in einer Übertragungsleitung.

Diese Faktoren bestimmen gemeinsam die Effizienz, Stabilität und Wirksamkeit der RF-Zuführungssysteme in Hochenergiephysik-Forschungszentren.

Seit 1967 entwickeln und liefern wir spezielle Hochenergie-Radiofrequenz-Komponenten für eine Vielzahl von Hochleistungsprojekten:

• 1967 lieferte SPINNER die ersten koaxialen Übertragungsleitungen zur Anpassung von Sendern (mit 250 kW Leistung bei 200 MHz) für das Proton Synchrotron (PS) des CERN.
• 1978/1979 setzt das CERN erneut auf SPINNER-Komponenten, diesmal für seinen Super Proton Synchrotron. Für die Erweiterung des Teilchenbeschleunigers SPS (Super Proton Synchrotron) wurde SPINNER beauftragt, einen 16-fach-Kombiner für das parallele Umschalten von 16 Sendern (jeweils 60 kW, CW bei 200 MHz), einen achtfachen Senderkombiner (8×60 kW, CW bei 800 MHz) und einen koaxialen Schalter 150-345 (für 1 MW; CW bei 200 MHz) zu entwickeln und zu liefern.
• 1981 lieferte SPINNER koaxiale Hochleistungsleitungen RL100-230 (50 Ohm), Stabtuner, Gleichstrom-Unterbrecher, Absorber und Schalter an das IPP (Max-Planck-Institut für Plasmaphysik) für die experimentellen Tokamak-ASDEX- und Wendelstein-Fusionsreaktoren.
• 1983 lieferte SPINNER zum ersten Mal R32-Wellenleiterkomponenten in Hochvakuumtechnik für den LEP-Linac (Large Electron/Positron Collider) des CERN und installierte die kompletten Wellenleiter-Übertragungssysteme mit Leistungsteilern, Pumpanschlüssen, Schaltern, Richtkopplern sowie Phasenschiebern von den 35 MW Klystrons bis zu den Beschleunigungsstrukturen.
• 1985 schließt SPINNER einen Auftrag für den LEP Linac am CERN ab: Für den LEP Injector Linac des Large Electron-Positron Colliders am CERN in der Schweiz entwickelt und liefert SPINNER 3-GHz-Beschleunigerstrukturen (mit 135 Kavitäten) sowie die 3-GHz-Referenzleitung in 1 5/8″ zur Ansteuerung der Klystrons.
• 2004 war noch nicht klar, wo der gigantische Internationale Thermonukleare Experimentelle Reaktor (ITER) gebaut werden würde. Trotzdem liefen die erforderlichen Vorentwicklungsprojekte bereits seit mehreren Jahren auf Hochtouren. Dazu gehörten Arbeiten am JET (Joint European Torus) im Vereinigten Königreich, um den ICRH-Modus (Ion Cyclotron Resonance Heating) zur Plasmaheizung zu optimieren, der verwendet werden sollte. SPINNER lieferte dafür zwei MW-Übertragungsleitungen.
• 2011 eröffnete MedAustron, eines der fortschrittlichsten Zentren Europas für die Ionenstrahltherapie und Forschung, in Wiener Neustadt südlich von Wien, Österreich, mit Komponenten von SPINNER. Neben der Behandlung von Patienten in klinischen Studien beherbergt das Zentrum auch nicht-klinische Forschung.