同轴腔回旋管准光学模式转换器

【摘要】：兆瓦级回旋管通常工作在低损耗的高阶腔体模式下。高阶腔体模式实际上不适于自由空间的传输,因为在该传输过程中存在严重的衍射和极化损耗,所以必须将该模式转换成基模高斯束。应用传统的模式转换器,对高阶模进行模式的降阶转换将导致转换器中的波导半径非常大,在波导中将产生模式竞争,所以实际上是不可行的。因此必须采用准光学模式转换器完成高阶腔体模到基模高斯束的转换。本论文的工作主要是为德国卡尔斯鲁尔研究中心的工作在170GHz、工作模式为TE_(34,19)模、功率为2兆瓦的连续波同轴腔回旋管设计准光学模式转换器。本论文的工作由国际热核实验反应堆(ITER)的EFDA项目(TW5-THHE-CCGDS2)资助。 准光学模式转换器是由开口波导天线(发射器)与镜面系统所组成。用于波纹壁发射器的一般设计方法可以获得具有较高高斯模式含量的输出波束。基于纹壁发射器的该一般设计方法,在论文第二章中导出了缩短的扰动长度和与扰动长度相匹配的扰动幅度的数学表达式,为缩短的发射器的综合设计提供了理论依据。同时,由于发射器变短,相应地增加了电子回收区的长度,有利于电子回收系统的设计和避免电子束撞击到发射器的内壁上。此方法通过对工作在TE_(22,6)模式(118GHz)的发射器的设计获得了检验。 对于工作在诸如TE_(34,19)如此高阶腔体模式下的同轴腔回旋管,其散焦柱面的直径与发射器的直径比为0.323,TE_(34,19)模式所对应的射线轨迹不能在发射器截面上形成封闭的或近似闭合的多边形。在这种情况下,这种一般方法所设计的波纹壁发射器不能把高阶腔体模式转换为近高斯分布,该回旋管的准光学模式转换器的综合设计变得非常困难,对如何获得具有高的转换效率和低损耗的高质量输出波束是一大挑战。这对这种回旋管的准光学模式转换器的参数设置提出了相对高的要求。论文第二章中提出了相位准则用作准光学模式转换器的优化监控和参数选择的质量指标。 论文第三章讨论了镜面系统的综合设计方法和计算机程序实现。利用Katsenelenbaum-Semenov算法,实现了相位校正镜面的设计。在论文第四章中分析了在德国卡尔斯鲁尔研究中心为170GHz、工作模式为TE_(34,19)模、功率