Resonanzkavitäten

Resonanzkavitäten sind geometrisch begrenzte Räume, in denen elektromagnetische Felder bei bestimmten Frequenzen auftreten und als stehende Wellen persistieren. In idealen Kavitäten aus gut leitendem Material speichern elektrische und magnetische Felder Energie abwechselnd; die Resonanzfrequenz ergibt sich aus der Geometrie, der Größe und den Randbedingungen. In metallischen Kavitäten existieren TE- und TM-Moden; TEM-Moden treten in geschlossenen metallischen Kavitäten nicht auf. Die Frequenzen lassen sich für einfache Geometrien analytisch bestimmen; allgemein erfolgen sie durch numerische Verfahren.

Der Qualitätsfaktor Q beschreibt das Verhältnis von gespeicherter Energie zur Energie, die pro Zyklus verloren geht. Hohe Q-Werte bedeuten geringe Verluste und scharfe Spektrallinien. Die Kopplung an externe Schaltungen erfolgt über Anschlüsse, Irisblenden, Antennen oder Wellenleiteranschlüsse; die Kopplung beeinflusst Bandbreite und Leistungsverlust. Tuning erfolgt über Temperaturänderungen, mechanische Verstellung von Wandabständen oder Veränderung der Materialeigenschaften; bei supraleitenden Kavitäten können extrem hohe Q-Werte erzielt werden.

Anwendungen umfassen Beschleunigerkavitäten in Teilchenbeschleunigern, Mikrowellen- und Quellensysteme, sowie optische Resonatorensysteme wie Fabry-Pérot-Resonatoren in Lasern und Frequenzstandards. In der Praxis werden Kavitäten aus Kupfer, Niob oder anderen leitfähigen Materialien gebaut; supraleitende Kavitäten verwenden oft Niob und arbeiten bei Kryogen-Temperaturen, um Verluste deutlich zu reduzieren. Resonanzkavitäten spielen eine zentrale Rolle in der HF- und Optiktechnik, indem sie Energien effizient speichern, verstärken oder filtern.