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Ein Speichenresonator für Linearbeschleuniger

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Gebrauchte Werkzeuge:

Speichenresonator

Ein Resonator ist ein Gerät, das bei bestimmten Frequenzen (auch als Eigenfrequenzen oder Resonanzfrequenzen bezeichnet) mit größeren Amplituden als bei anderen Frequenzen auf natürliche Weise schwingt. Die Schwingungen können entweder akustischer, mechanischer oder elektromagnetischer Natur sein. In diesem Anwendungsbericht nehmen wir an, dass die Schwingungen elektromagnetischer Natur sind. Diese Arten von Resonatoren werden Hohlraumresonatoren genannt. In der Regel handelt es sich um eine hohle Metallstruktur, die elektromagnetische Felder einschließt. Die EM-Wellen prallen zwischen den Wänden des Hohlraums hin und her und verstärken sich bei den Resonanzfrequenzen des Hohlraums, um stehende Wellen zu bilden. Sie werden häufig in Oszillatoren und Sendern zur Erzeugung von Mikrowellensignalen und als Filter in Radargeräten, Mikrowellen-Relaisstationen usw. verwendet. HF-Hohlräume können auch geladene Teilchen manipulieren, die durch Anlegen einer Beschleunigungsspannung durch sie hindurchtreten, und werden daher in Teilchenbeschleunigern und Magnetrons verwendet. Ein Speichenresonator wie in Abbildung 1 gezeigt ist ein spezieller Typ eines Hohlraumresonators, der bei der Teilchenbeschleunigung verwendet wird.

SolidWorks Modell

Abbildung 1 zeigt einen mit SolidWorks erstellten Speichenresonator.

In SolidWorks entwickelter Speichenresonator

Abbildung 1 - In SolidWorks konstruierter Speichenresonator

Dieser Resonator ist so ausgelegt, dass er eine erste Resonanzfrequenz von 325 MHz aufweist. Die EM-Simulation verfolgt zwei Ziele:

  1. Berechnung der ersten Resonanzfrequenz
  2. So berechnen Sie den Qualitätsfaktor (Qo-Faktor)

Die Simulation wird mit HFWorks ausgeführt , einem in 3D, CAD eingebetteten Hochfrequenzsimulationspaket für SolidWorks.

Resonanzfrequenzberechnung

Die Simulationsstudie zur Berechnung von Resonanzfrequenzen wird als Resonanzstudie bezeichnet (Abbildung 2). HFWorks kann für jede Struktur mehrere Resonanzfrequenzen berechnen. Für den Speichenresonator berechnen wir die erste Mode (oder die erste Resonanzfrequenz) und vergleichen sie mit den Testergebnissen. HFWorks berechnet die erste Resonanzfrequenz (Abbildung 3) mit 323,02 MHz. Dies ist sehr gut mit dem Testergebnis von 324,73 MHz vergleichbar.

Erstellen einer Resonanzstudie in HFWorks

Abbildung 2- Erstellen einer Resonanzstudie in HFWorks

Tabelle 1 - Vergleich der ersten Resonanzfrequenz

HFWorks Ergebnis Testergebnis
Erste Resonanzfrequenz (MHz) 323.02 324,73

Berechnung des Qualitätsfaktors (Qo)

Zusätzlich zu den Resonanzfrequenzen berechnet HFWorks den Qualitätsfaktor (Qo) und die gespeicherte Energie für den Resonator für jede der Resonanzfrequenzen. Abbildung 4 zeigt die von HFWorks erstellte Tabelle für die erste Resonanzfrequenz.

Tabelle mit 1. Resonanzfrequenz und Qo

Abbildung 3 - Tabelle mit 1. Resonanzfrequenz und Qo

3D Felder

Fig. 5 zeigt die Verteilung des elektrischen Feldes innerhalb des Resonators als Schnittdarstellung. Abbildung 6 zeigt die Magnetfeldstärke im Resonator als Schnittdarstellung. Die 3D-Feldergebnisse helfen dem Ingenieur, das Verhalten des Resonators qualitativ zu analysieren.

Schnittdarstellung des elektrischen Feldes

Abbildung 4 - Schnittdarstellung des elektrischen Feldes


Schnittzeichnung der Magnetfeldstärke

Abbildung 5 - Schnittdarstellung der Magnetfeldstärke

Fazit

Die von HFWorks berechnete Resonanzfrequenz liegt innerhalb von 0,5% des Testwerts. Der Q-Faktor (Qo) für den Resonator wurde zu 1,72e4 berechnet. HFWorks kann die Resonanzfrequenzen einer beliebigen Struktur berechnen und Resonatoren für verschiedene HF- und Mikrowellenanwendungen einschließlich Teilchenbeschleunigung entwerfen.

Verweise

G. Lanfranco , G. Apollinari, I.V. Gonin, T.N. Khabiboulline, G. Romanov, R. Wagner (2007). PRODUCTION OF 325 MHZ SINGLE SPOKE RESONATORS AT FNAL. Proceedings of PAC07, Albuquerque, New Mexico, USA. Retrieved from https://accelconf.web.cern.ch/accelconf/p07/PAPERS/WEPMN099.PDF