Teilchenbeschleuniger

Hochenergieübertragung mit RF-Zuführungen in Hochenergiephysik-Forschungszentren mit Teilchenbeschleunigern

Ein Teilchenbeschleuniger ist ein ausgeklügeltes Gerät, das geladene Teilchen wie Protonen, Elektronen oder Ionen auf sehr hohe Geschwindigkeiten, oft nahe der Lichtgeschwindigkeit, beschleunigt. Diese beschleunigten Teilchen werden dann mit anderen Teilchen kollidiert oder auf Materialien gerichtet, um es den Wissenschaftlern zu ermöglichen, grundlegende Aspekte von Materie und Energie zu untersuchen.

Es gibt drei gängige Typen von Teilchenbeschleunigern:

•  Lineare Beschleuniger (Linacs): Beschleunigen Teilchen in einer geraden Linie unter Verwendung elektrischer Felder.
• Zyklotrons und Synchrotrons: Verwenden Magnetfelder, um den Pfad der Teilchen zu biegen, wodurch sie Energie in einem kreisförmigen oder spiralförmigen Pfad gewinnen.
• Kollidierer: Zwei Teilchenstrahlen werden in entgegengesetzte Richtungen beschleunigt und zum Kollidieren gebracht, um die Wechselwirkungen von Hochenergie-Teilchen zu untersuchen.

In Hochenergiephysik-Forschungszentren besteht die Hauptfunktion eines Teilchenbeschleunigers darin, die grundlegenden Bestandteile der Materie und die Kräfte zu untersuchen, die ihre Wechselwirkungen bestimmen. Diese Beschleuniger sind entscheidende Werkzeuge, um die zugrunde liegenden Prinzipien der Physik auf den kleinsten Skalen und bei den höchsten Energien zu erforschen.

Teilchenbeschleuniger in Hochenergiephysik-Forschungszentren sind unentbehrliche Werkzeuge, um die tiefsten Fragen zur Natur des Universums, zu den grundlegenden Teilchen, aus denen es besteht, und zu den Kräften, die ihre Wechselwirkungen bestimmen, zu erforschen. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Prüfung und Erweiterung unseres Verständnisses physikalischer Theorien, was zu bahnbrechenden Entdeckungen führt, die tiefgreifende Auswirkungen auf Wissenschaft und Technologie haben.

SPINNER HF-Zuführsysteme sind entscheidende Komponenten in Teilchenbeschleunigern

Hochfrequenz-Zuführsysteme sind entscheidende Komponenten in Teilchenbeschleunigern, insbesondere in Hochenergiephysik-Forschungszentren. Ihre Hauptfunktion besteht darin, HF-Leistung von HF-Quellen (wie Klystrons oder Festkörperverstärkern) zu den Beschleunigungskavitäten innerhalb des Beschleunigers zu liefern. Diese Kavitäten erzeugen die elektromagnetischen Felder, die geladene Teilchen auf hohe Energien beschleunigen. Die Leistung und Zuverlässigkeit des RF-Zuführungssystems beeinflussen direkt die Effizienz und Stabilität des Teilchenbeschleunigungsprozesses. Die wichtigsten Funktionen sind:

• Leistungsübertragung: HF-Zuführungssysteme transportieren Hochleistungs-Signale von den HF-Quellen zu den Beschleunigungskavitäten. 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 HF-Leistung die Beschleunigungskavitäten erreicht.

Wichtige Komponenten für die Hochenergieübertragung in Teilchenbeschleunigern sind:

• Starre rechteckige Wellenleiter und starre Koaxialleitungen: Metallische Strukturen, die die HF-Leistung von den Klystrons oder Verstärkern zu den Beschleunigungskavitäten leiten. Wellenleiter müssen geringe Verluste aufweisen und präzise konstruiert sein, um die Phasenstabilität zu gewährleisten.
• Koaxialkabel: Werden für die HF-Übertragung mit geringerer Leistung verwendet und spielen eine Rolle bei der Übermittlung von Hochfrequenz-Signalen, insbesondere in Diagnose- und Kontrollsystemen.
• Richtkoppler: Geräte, die eine kontrollierte Einführung von HF-Leistung in die Beschleunigungskavitäten ermöglichen. Der Kopplungsfaktor ist entscheidend für die Optimierung der Energieübertragung.
• Phasenschieber: Geräte, die die Phase des RF-Signals anpassen, um sie mit den Teilchenpaketen zu synchronisieren und eine stabile Beschleunigung zu gewährleisten.
• Adapter: Geräte zum Verbinden von Wellenleitern mit unterschiedlichen Schnittstellen.
•  Lasten: Lasten werden am Ende des Leistungsweges platziert und gewährleisten eine korrekte Terminierung. Dadurch werden störende Reflexionen reduziert und die maximale Leistung und Qualität des Gesamtsystems sichergestellt.
• Leistungskombinierer: Kombinieren mehrere Energiequellen in eine Übertragungsleitung.

SPINNER HF-Komponenten zeichnen sich dadurch aus, dass sie außergewöhnlichen Wert bei den technischen Erfolgsfaktoren und den entscheidenden Anforderungen für die Hochenergieübertragung liefern, wie z.B.

• Hohe Leistungsfähigkeit: Unsere HF-Komponenten können hohe Leistungspegel ohne signifikante Verluste oder Überhitzung bewältigen.
• Präzision in der Fertigung: Präzise Fertigung, insbesondere bei Komponenten wie Wellenleitern und Kavitäten, sorgt für Impedanzanpassung und minimiert Reflektionen.
• Thermische Stabilität: Unsere Komponenten widerstehen der durch Hochleistungs-RF erzeugten Hitze ohne Degradierung, dank fortschrittlicher Materialien und Kühlsysteme.
• Mechanische Stabilität: Die RF-Zuführleitungen sind robust gegenüber physikalischen Belastungen und Vibrationen und halten die Ausrichtung und Phasenstabilität über lange Zeiträume aufrecht.
• Niedrige Verluste: Minimierung der resistiven und dielektrischen Verluste in Komponenten wie Wellenleitern und Koaxialkabeln wird garantiert, um eine effiziente Energieübertragung sicherzustellen.
• Phasen- und Frequenzstabilität: Wir stellen sicher, dass das RF-Signal stabil in Phase und Frequenz bleibt, was entscheidend für die Synchronisation mit den Teilchenpaketen ist.
• Zuverlässigkeit und Wartung: Unser System ist äußerst zuverlässig und erfordert wenig Wartung, um den kontinuierlichen Betrieb des Beschleunigers sicherzustellen.
• 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 Beschleunigerprojekten:

• 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 setzte das CERN erneut auf SPINNER-Komponenten, diesmal für das Super Proton Synchrotron (SPS). SPINNER wurde beauftragt, einen 16-fach Kombinierer für das parallele Umschalten von 16 Sendern (jeweils 60 kW, CW bei 200 MHz), einen 8-fach Kombinierer (8×60 kW, CW bei 800 MHz) und einen koaxialen Schalter 150-345 (für 1 MW; CW bei 200 MHz) zu entwickeln.
• 1983 lieferte SPINNER erstmals R32-Wellenleiterkomponenten in Hochvakuumtechnik für den LEP-Linac (Großer Elektron-Positron-Collider) des CERN und installierte komplette Übertragungssysteme.
• 1985 schloss SPINNER einen Auftrag für den LEP Linac ab: Für den LEP Injector Linac des Large Electron-Positron Collider in der Schweiz lieferte SPINNER 3-GHz-Beschleunigerstrukturen (mit 135 Kavitäten).
• 2011 eröffnete MedAustron, eines der fortschrittlichsten Zentren Europas für Ionenstrahltherapie und Forschung, in Wiener Neustadt, Österreich, und setzte auf SPINNER-Komponenten.