一种双束输出的准光模式变换装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及真空电子学技术领域，尤其涉及一种准光模式变换装置。一种双束输出的准光模式变换装置，包括：一个具有周期扰动结构的圆波导；一个双切口准光辐射器；两个准抛物柱面反射镜；两个平面反射镜；两个输能窗；双切口准光辐射器位于圆波导的末端，其半径结构具有同圆波导相同的表达式；准抛物柱面反射镜和平面反射镜的空间位置处于高斯波束的传播路径上；输能窗平面与输出波束的波前垂直，位于高斯波束的束腰处。本发明专利技术的装置通过双切口准光辐射器将高斯波束进行分离，可有效降低在高功率条件下单一输能窗被击穿，进而导致真空系统漏气的风险。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及真空电子学
，尤其涉及一种准光模式变换装置。
技术介绍
回旋振荡管在毫米波段具有高功率、长脉冲、连续波输出等优点，在毫米波雷达、受控热核聚变的等离子体加热、材料处理和生物医学等领域具有广泛的应用前景。当前兆瓦级高功率回旋振荡管是国际受控热核聚变实验反应堆(ITER)的主要加热源，一般连续波输出功率为1MW，最高可达2MW。当聚变装置采用1MW的回旋振荡器作为等离子体加热的功率源时，需要24支回旋振荡管同时工作，采用2MW的回旋振荡管工作时，仅需要12支回旋振荡管。这样可大大降低系统成本和功率合成的复杂性。目前正在研制4MW的回旋振荡管，以期进一步降低成本和简化系统结构。回旋振荡管通常采用准光模式变换装置将工作模式变换为一束高斯波束，最后通过输能窗将高斯波束导入负载。常规的准光模式变换装置由一个螺旋切口发射器和几个反射镜构成，变换后的电磁能量全部通过一个输能窗进入负载。较高的输出功率要求配备高性能的输能窗，但是一般回旋振荡管的输能窗大多采用化学气相沉积技术制作，其最大承载功率仅为2MW。一旦超过承载功率极限，输能窗将会被击穿，从而导致窗片损坏，造成真空系统漏气等严重后果。由于受限于材料、工艺等一系列技术问题，该问题尚未得到有效解决。
技术实现思路
针对现有技术的不足及问题，本专利技术提供了一种双束输出的准光模式变换装置，利用回旋振荡管高阶腔体模式的几何光学特性建立圆波导内表面的周期扰动结构，通过圆波导内表面的周期扰动结构实现高阶模式向高斯波束的变换，变换后的高斯波束通过波导末端的两个螺旋切口，分别向外空间辐射。利用准抛物柱面反射镜的聚焦特性和平面反射镜的反射特性，对辐射的高斯波束进行聚焦和方向调整，最终通过两个输能窗分别导出回旋振荡管，从而在紧凑的空间内实现了兆瓦级高功率电磁波束的模式变换、分离和输出。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：一种双束输出的准光模式变换装置，包括：一个具有周期扰动结构的圆波导，用于将工作模式变换为高斯波束；一个双切口准光辐射器，用于将高斯波束向两个不同的方向辐射；两个准抛物柱面反射镜，用于对辐射器射出的高斯波束进行聚焦；两个平面反射镜，用于调整高斯波束的传播方向；两个输能窗，用于将高斯波束输出至回旋振荡管的负载；双切口准光辐射器位于圆波导的末端，其半径结构具有同圆波导相同的表达式；准抛物柱面反射镜和平面反射镜的空间位置处于高斯波束的传播路径上；输能窗平面与输出波束的波前垂直，位于高斯波束的束腰处。所述的圆波导在轴向和角向均具有周期性扰动结构，其结构表达式如下：R(φ,z)＝R0+αz+δ1cos(Δm1φ±Δβ1z)+δ2cos(Δm2φ±Δβ2z)其中R0为圆波导初始半径，(φ,z)为圆波导在柱坐标系下的坐标，α为圆波导的锥度，δ1和δ2分别为轴向和角向的扰动幅度，Δm1和Δm2为工作模式和耦合模式的轴向和角向指数差，Δβ1和Δβ2为工作模式和耦合模式的轴向和角向波数差，“+”为右旋极化，“-”为左旋极化。圆波导锥度为一个常系数，其大小为0.002。所述的双切口准光辐射器的切口为螺旋形，切口在角向的宽度为一个布里渊区的角度，切口在轴向的长度为一个布里渊区的长度；两个切口之间在角向相隔一个布里渊区的宽度。所述的双切口准光辐射器切口的螺旋边与圆波导轴线的夹角以及切口的直线边与圆波导轴线的夹角由工作模式和辐射器的锥度决定。所述的反射镜面尺寸大于高斯波束的横截面，以保证高斯波束被全部反射。所述的输能窗为圆形，窗片采用化学气相沉积金刚石材料制成，最大功率容量为2MW；输能窗直径为80mm，厚度为2.25mm。所述的双束输出的准光模式变换装置的工作模式为高阶腔模，即TEmn(m>>1，n>>1，m>>n)模式，且在圆波导横截面上的射线轨迹为闭合多边形。该装置适用于回旋振荡管的输出功率超过单片输能窗最大承载功率的情况。该装置所包含的具有周期扰动结构的圆波导、双切口辐射器、准抛物柱面反射镜、平面反射镜均由无氧铜材料制成。本专利技术的双束输出的准光模式变换装置相比于现有技术，其有益效果在于：该装置通过双切口准光辐射器将高斯波束进行分离，可有效降低在高功率条件下单一输能窗被击穿，进而导致真空系统漏气的风险。该装置可用于输出功率达4MW的回旋振荡管能量输出系统，以及输出功率大于单片输能窗最大承载功率的工况。附图说明图1为本专利技术实施例中的双束输出的准光模式变换装置结构示意图；图2为本专利技术的双束输出准光模式变换装置应用在回旋振荡管内的结构示意图；图3为本专利技术实施例中的高阶腔体模式在圆波导内传播的原理示意图；图4为本专利技术实施例中的TE34,19模式的电磁波射线在圆波导内的传播路径；图5为本专利技术实施例中的周期扰动模式变换波导内表面电场幅度分布；图6为本专利技术实施例中的双切口准光辐射器外空间测量面上的归一化角向电场幅度分布；图7为本专利技术实施例中的双切口准光辐射器结构示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本专利技术的双束输出的准光模式变换装置，如附图1所示，包括：具有周期扰动结构的圆波导1，用于将工作模式变换为高斯波束；双切口准光辐射器2，用于将高斯波束向两个不同的方向辐射；两个准抛物柱面反射镜3，用于对辐射器射出的高斯波束进行聚焦；两个平面反射镜4，用于调整高斯波束的传播方向；两个输能窗5，用于将高斯波束输出至回旋振荡管的负载。上述结构在回旋振荡管内的空间位置如图2所示。本实施例中，装置设定的工作模式为TE34,19，工作频率为170GHz，采用槽加载同轴互作用波导作为高频互作用电路，输出波导的初始段为余弦渐变过渡波导，用于抑制后腔互作用以及寄生模式，同时匹配准光模式变换结构中初始端口的尺寸。圆波导在轴向和角向的周期扰动结构表达式如下：R(φ,z)＝R0+αz+δ1cos(Δm1φ±Δβ1z)+δ2cos(Δm2φ±Δβ2z)其中R0为圆波导初始半径，(φ,z)为圆波导在柱坐标系下的坐标，α为圆波导的锥度，δ1和δ2分别为轴向和角向的扰动幅度，Δm1和Δm2为工作模式和耦合模式的轴向和角向指数差，Δβ1和Δβ2为工作模式和耦合模式的轴向和角向波数差，“+”为右旋极化，“-”为左旋极化。电磁能量通过周期扰动模式变换波导在圆波导内部形成连续反射的高斯波束，经由不同的反射路径，分别通过各自的螺旋切口向空间辐射，如图3所示。准光模式变换段的波导初始半径为50.6mm，波导半径的锥度为0.002，总长度为391mm，轴向最大扰动幅度0.45mm，角向最大扰动幅度0.39mm。工作模式TE34,19的特征值为105.19296，在圆波导内射线连续反射两次时在角向的覆盖角度约为144°，即该模式的射线在圆波导内连续反射五次后可以在横截面上形成闭合的五边形，如图4所示。双切口准光辐射器2是周期扰动的圆波导1的一部分，位于圆波导1的末端，其半径结构具有与圆波导相同的表达式。根据周期扰动的圆波导的结构参数，计算得到周期扰动模式变换波导内表面电场幅度分布，如图5所示。图中用线框标出的为辐射口径，即螺旋形切口的位置。辐射口径内的束斑为高斯波束，两个高斯波束分别通过辐射口径向外空间辐射。高斯波束在双切口准光辐射器外空间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双束输出的准光模式变换装置，其特征在于，包括：一个具有周期扰动结构的圆波导，用于将工作模式变换为高斯波束；一个双切口准光辐射器，用于将高斯波束向两个不同的方向辐射；两个准抛物柱面反射镜，用于对辐射器射出的高斯波束进行聚焦；两个平面反射镜，用于调整高斯波束的传播方向；两个输能窗，用于将高斯波束输出至回旋振荡管的负载；双切口准光辐射器位于圆波导的末端，其半径结构具有同圆波导相同的表达式；准抛物柱面反射镜和平面反射镜的空间位置处于高斯波束的传播路径上；输能窗平面与输出波束的波前垂直，位于高斯波束的束腰处。

【技术特征摘要】
1.一种双束输出的准光模式变换装置，其特征在于，包括：一个具有周期扰动结构的圆波导，用于将工作模式变换为高斯波束；一个双切口准光辐射器，用于将高斯波束向两个不同的方向辐射；两个准抛物柱面反射镜，用于对辐射器射出的高斯波束进行聚焦；两个平面反射镜，用于调整高斯波束的传播方向；两个输能窗，用于将高斯波束输出至回旋振荡管的负载；双切口准光辐射器位于圆波导的末端，其半径结构具有同圆波导相同的表达式；准抛物柱面反射镜和平面反射镜的空间位置处于高斯波束的传播路径上；输能窗平面与输出波束的波前垂直，位于高斯波束的束腰处。2.根据权利要求1所述的双束输出的准光模式变换装置，其特征在于，所述的圆波导在轴向和角向均具有周期性扰动结构，其结构表达式如下：R(φ,z)＝R0+αz+δ1cos(Δm1φ±Δβ1z)+δ2cos(Δm2φ±Δβ2z)其中R0为圆波导初始半径，(φ,z)为圆波导在柱坐标系下的坐标，α为圆波导的锥度，δ1和δ2分别为轴向和角向的扰动幅度，Δm1和Δm2为工作模式和耦合模式的轴向和角向指数差，Δβ1和Δβ2为工作模式和耦合模式的轴向和角向波数差，“+”为右旋极化，“-”为左旋极化。3.根据权利要求2所述的双束输出的准光模式变换装置，其特征在于，所述的圆波导锥度为一个常系数，其大...

【专利技术属性】
技术研发人员：王虎，贾欣鑫，王雷，张浩，柴旭，周忠海，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37