同軸腔回旋管準(zhǔn)光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器.pdf

1、兆瓦級(jí)回旋管通常工作在低損耗的高階腔體模式下。高階腔體模式實(shí)際上不適于自由空間的傳輸，因?yàn)樵谠搨鬏斶^(guò)程中存在嚴(yán)重的衍射和極化損耗，所以必須將該模式轉(zhuǎn)換成基模高斯束。應(yīng)用傳統(tǒng)的模式轉(zhuǎn)換器，對(duì)高階模進(jìn)行模式的降階轉(zhuǎn)換將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器中的波導(dǎo)半徑非常大，在波導(dǎo)中將產(chǎn)生模式競(jìng)爭(zhēng)，所以實(shí)際上是不可行的。因此必須采用準(zhǔn)光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器完成高階腔體模到基模高斯束的轉(zhuǎn)換。本論文的工作主要是為德國(guó)卡爾斯魯爾研究中心的工作在170GHz、工作模式為TE34,19

2、模、功率為2兆瓦的連續(xù)波同軸腔回旋管設(shè)計(jì)準(zhǔn)光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器。本論文的工作由國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(ITER)的EFDA項(xiàng)目(TW5-THHE-CCGDS2)資助。 準(zhǔn)光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器是由開(kāi)口波導(dǎo)天線(發(fā)射器)與鏡面系統(tǒng)所組成。用于波紋壁發(fā)射器的一般設(shè)計(jì)方法可以獲得具有較高高斯模式含量的輸出波束?；诩y壁發(fā)射器的該一般設(shè)計(jì)方法，在論文第二章中導(dǎo)出了縮短的擾動(dòng)長(zhǎng)度和與擾動(dòng)長(zhǎng)度相匹配的擾動(dòng)幅度的數(shù)學(xué)表達(dá)式，為縮短的發(fā)射器的綜合設(shè)計(jì)提供了理論依

3、據(jù)。同時(shí)，由于發(fā)射器變短，相應(yīng)地增加了電子回收區(qū)的長(zhǎng)度，有利于電子回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和避免電子束撞擊到發(fā)射器的內(nèi)壁上。此方法通過(guò)對(duì)工作在TE22,6模式(118GHz)的發(fā)射器的設(shè)計(jì)獲得了檢驗(yàn)。 對(duì)于工作在諸如TE34,19如此高階腔體模式下的同軸腔回旋管，其散焦柱面的直徑與發(fā)射器的直徑比為0.323，TE34,19模式所對(duì)應(yīng)的射線軌跡不能在發(fā)射器截面上形成封閉的或近似閉合的多邊形。在這種情況下，這種一般方法所設(shè)計(jì)的波紋壁發(fā)射器不能

4、把高階腔體模式轉(zhuǎn)換為近高斯分布，該回旋管的準(zhǔn)光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器的綜合設(shè)計(jì)變得非常困難，對(duì)如何獲得具有高的轉(zhuǎn)換效率和低損耗的高質(zhì)量輸出波束是一大挑戰(zhàn)。這對(duì)這種回旋管的準(zhǔn)光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器的參數(shù)設(shè)置提出了相對(duì)高的要求。論文第二章中提出了相位準(zhǔn)則用作準(zhǔn)光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器的優(yōu)化監(jiān)控和參數(shù)選擇的質(zhì)量指標(biāo)。 論文第三章討論了鏡面系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)方法和計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)。利用Katsenelenbaum-Semenov算法，實(shí)現(xiàn)了相位校正鏡面的設(shè)計(jì)。在論文第四

5、章中分析了在德國(guó)卡爾斯魯爾研究中心為170GHz、工作模式為TE34，19模、功率為2兆瓦的連續(xù)波同軸腔回旋管而開(kāi)發(fā)的準(zhǔn)光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器的預(yù)研模型的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，探討了存在的問(wèn)題：所設(shè)計(jì)的波紋壁發(fā)射器未能有效地實(shí)現(xiàn)腔體模式到基模高斯波束的轉(zhuǎn)換，在發(fā)射器孔徑中的場(chǎng)僅有43％的基模高斯模式轉(zhuǎn)換效率；同時(shí)，在發(fā)射器開(kāi)口邊緣的場(chǎng)分布較強(qiáng)，導(dǎo)致發(fā)射器衍射損耗達(dá)到5.13％，這不能滿足回旋管輸出達(dá)到95％的基模高斯模式含量和轉(zhuǎn)換效率的要求。為此，論

6、文第五章討論了對(duì)該模式轉(zhuǎn)換器的改進(jìn)。論文第四章還討論了基于本論文提出的相位原則實(shí)現(xiàn)鏡面系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化。 對(duì)于諸如TE34,19模，由于一般方法所設(shè)計(jì)的波紋壁發(fā)射器不能完成高階腔體模式到近高斯分布的轉(zhuǎn)換，論文第五章中提出了將高階諧波引入了波導(dǎo)壁的形變中，并對(duì)具有高階擾動(dòng)的波紋發(fā)射器進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化，抑制了開(kāi)口邊沿的場(chǎng)。優(yōu)化后的發(fā)射器中的場(chǎng)分布可以用波導(dǎo)模式良好地近似，輻射場(chǎng)可以用標(biāo)量衍射積分進(jìn)行計(jì)算。這為開(kāi)口波導(dǎo)天線中的場(chǎng)分布模擬和

7、波導(dǎo)天線開(kāi)口邊緣具有弱場(chǎng)分布情況下的波導(dǎo)的輻射場(chǎng)的計(jì)算均提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法。論文第五章改進(jìn)了鏡面系統(tǒng)的數(shù)值優(yōu)化過(guò)程，將相位校正鏡面的加工精度對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響引入了數(shù)值優(yōu)化中。使用優(yōu)化后的準(zhǔn)光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器在回旋管的輸出窗口上獲得了對(duì)束腰半徑為20毫米的圓形的基模高斯分布的95.8％的轉(zhuǎn)換效率及90％的功率傳輸率。文中提出了相位校正鏡面的初始條件的改善方法，以使鏡面系統(tǒng)的功率傳輸率和模式轉(zhuǎn)換效率得到提高，并降低對(duì)鏡面校正系統(tǒng)的加工精度的要