同軸腔回旋管準光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、兆瓦級回旋管通常工作在低損耗的高階腔體模式下。高階腔體模式實際上不適于自由空間的傳輸,因為在該傳輸過程中存在嚴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,對高階模進行模式的降階轉(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)生模式競爭,所以實際上是不可行的。因此必須采用準光學(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)計準光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器。本論文的工作由國際熱核實驗反應(yīng)堆(ITER)的EFDA項目(TW5-THHE-CCGDS2)資助。 準光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器是由開口波導(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)計方法,在論文第二章中導(dǎo)出了縮短的擾動長度和與擾動長度相匹配的擾動幅度的數(shù)學(xué)表達式,為縮短的發(fā)射器的綜合設(shè)計提供了理論依

3、據(jù)。同時,由于發(fā)射器變短,相應(yīng)地增加了電子回收區(qū)的長度,有利于電子回收系統(tǒng)的設(shè)計和避免電子束撞擊到發(fā)射器的內(nèi)壁上。此方法通過對工作在TE22,6模式(118GHz)的發(fā)射器的設(shè)計獲得了檢驗。 對于工作在諸如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,該回旋管的準光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器的綜合設(shè)計變得非常困難,對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)。這對這種回旋管的準光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器的參數(shù)設(shè)置提出了相對高的要求。論文第二章中提出了相位準則用作準光學(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。 論文第三章討論了鏡面系統(tǒng)的綜合設(shè)計方法和計算機程序?qū)崿F(xiàn)。利用Katsenelenbaum-Semenov算法,實現(xiàn)了相位校正鏡面的設(shè)計。在論文第四

5、章中分析了在德國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發(fā)的準光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器的預(yù)研模型的設(shè)計和實驗結(jié)果,探討了存在的問題:所設(shè)計的波紋壁發(fā)射器未能有效地實現(xiàn)腔體模式到基模高斯波束的轉(zhuǎn)換,在發(fā)射器孔徑中的場僅有43%的基模高斯模式轉(zhuǎn)換效率;同時,在發(fā)射器開口邊緣的場分布較強,導(dǎo)致發(fā)射器衍射損耗達到5.13%,這不能滿足回旋管輸出達到95%的基模高斯模式含量和轉(zhuǎn)換效率的要求。為此,論

6、文第五章討論了對該模式轉(zhuǎn)換器的改進。論文第四章還討論了基于本論文提出的相位原則實現(xiàn)鏡面系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化。 對于諸如TE34,19模,由于一般方法所設(shè)計的波紋壁發(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,并對具有高階擾動的波紋發(fā)射器進行了數(shù)值優(yōu)化,抑制了開口邊沿的場。優(yōu)化后的發(fā)射器中的場分布可以用波導(dǎo)模式良好地近似,輻射場可以用標量衍射積分進行計算。這為開口波導(dǎo)天線中的場分布模擬和

7、波導(dǎo)天線開口邊緣具有弱場分布情況下的波導(dǎo)的輻射場的計算均提供了一個簡單的方法。論文第五章改進了鏡面系統(tǒng)的數(shù)值優(yōu)化過程,將相位校正鏡面的加工精度對轉(zhuǎn)換效率的影響引入了數(shù)值優(yōu)化中。使用優(yōu)化后的準光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器在回旋管的輸出窗口上獲得了對束腰半徑為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,并降低對鏡面校正系統(tǒng)的加工精度的要

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