CN1049069A - 准光学回旋管 - Google Patents

Abstract

在准光学回旋管中，呈现具有互相对置在谐振腔 轴(5)上的两面反射镜(4a、4b)的准光学谐振腔，所要 求的电磁辐射是借助一全息片耦合输出的。此外，至 少谐振腔的两反射镜之一(4b)呈现配置一全息片的 反射镜面(8b)。该全息片是以这种方式构成的，即， 使有待耦合输出的辐射至少正好按一个耦合输出轴 (10)的方向散射，所述耦合输出轴(10)与谐振腔轴 (5)形成一预定的不等于零的角α。角α最好尽可能 小。

Description

本发明涉及一种准光学回旋管，该回旋管包括：用以产生电子束的第一装置，电子束沿电子束轴方向延伸;用以产生与电子束平行的静磁场，藉此迫使电子束中的电子进行回旋运动的第二装置;在与电子束轴垂直的谐振腔轴上有相互对置的两面反射镜的准光学谐振腔，在其中，电子的回旋运动激发一个交变电磁场;以及用以把电磁辐射耦合输出谐振腔的第三装置。

例如，从瑞士专利第664045号或1987年6月《Brown  Boveri  Review》第303-307页H.G.Mathews，Minh  Quang  Tran所著题为“大功率微波发射机的关键组份-回旋管”（“Das  Gyrotron，Schlüsselkomponente  für  Hochleistungs-Mikrowellensender”）论文中已经知道如本文开始所述类型的那种准光学回旋管。这种回旋管与常规圆筒形回旋管相比具有可产生多倍功率的优点。其原因尤其在于如下事实：

1.由于谐振腔不与电子束同轴而是垂直于电子束轴的，所以可不受“电子束部分”支配而确定其尺寸。特别是，可通过放大直径而减少谐振腔反射镜和射频（.RF）出射窗的曝辐量。

2.可将存在于谐振腔中的能量经由两输出口，即在两谐振腔反射镜的每一反射镜处耦合输出。

所述类型的准光学回旋管一般在150GH或更高频率条件下工作，并可以连续方式产生几百千瓦的辐射功率。然而，鉴于这种回旋管要用作聚变反应堆中加热等离子体，就需要1兆瓦和更高的连续功率。到这样高的功率必然会引起各种各样的困难。特别遇到的一个问题是如何把毫米波有效地耦合输出谐振腔。

从瑞士专利第668，865号已知有如下两种用以从开始所述类型的开放谐振腔耦合输出的建议：通过谐振腔反射镜中的环形隙缝耦合输出和在缩小直径的反射镜边缘处耦合输出。但是，两种尝试中没有一种解决办法是令人满意的。一方面，因为随高辐射功率而出现的高电场强度在隙缝的边缘处会发生危险的击穿。另一方面，按此方式无高斯模耦合输出。然而，事实是当前只有高斯模可以无损耗地经由相当长的距离将其传递到负载。

有人建议结合大功率激光的结构以这样的方式来达到将光谐振腔的辐射耦合输出，即给两反射谐振腔镜之一配置一种循环结构，使得20%的谐振腔能量按一给定角度旁向耦合输出。特别，从美国专利3，609，585号中已知的一种耦合输出镜，它呈现周期性狭窄的由宽平部分隔开的波谷。这些决定着耦合输出的波谷被构成锯齿波形。

然而，这种来自激光结构领域的已知解决办法并不适合于准光学回旋管。除尖的边缘外，主要还有不利的波动光学效应，这在毫米波的情况下，在相当大的尺寸（mm级）上自然地已成为重要的问题，并导致不希望的衍射波峰或二次衍射波峰。

因此，本发明的一个目的是提供一种新颖的开始所述类型的回旋管，在该回旋管中，所要求的电磁辐射高效地耦合输出准光学谐振腔。特别是本发明的目的在于以这种方式来发展所述类型的回旋管，即以高斯模的形式耦合输出所要求的辐射。

按照本发明的所述解决办法在于该第三装置至少包含一全息片，后者至少是在谐振腔两反射镜之一的反射镜面上的一个全息片，并具有这样的特性，即，有待耦合输出的辐射至少正好按一个耦合输出轴的方向进行散射，该耦合输出轴与谐振腔轴形成一个预定的不等于零的角α。

本发明的核心在于，该全息片不象常规的刻划光栅绐终呈现几个衍射方向（在其中，入射波，就是说，谐振腔的高斯模被散射），而只是呈现一种可预定个数的明确限定的散射方向。因而，准备耦合输出的辐射始终仅指向所要求的方向。此外，可将全息片用以产生所要求的高斯波，于是就可无显著损耗地将其传导给负荷。

在一种准光学回旋管中，其中由两个按亥姆霍兹配置（Helmholtz  Anordnung）的线圈来产生静磁场，谐振腔轴和耦合输出轴最好定位在垂直于电子束轴的共同平面内，谐振腔轴与耦合输出轴之间的角度有利地恰好大到足于使耦合输出的辐射得以基本上不经干扰地紧挨着谐振腔相对的反射镜的一侧通过。

提供多个耦合输出轴可能是有利的。在这种实施例中，辐射载荷被分配到几个RF出射窗。当RF出射窗载荷能力受限时，回旋管的总负荷可由此倍增。

所述的倍增可通过各种不同的方式达到。例如，给任一个反射表面配置一个全息片，该全息片精确地提供两个耦合输出轴。或者两反射镜各自呈现一个全息片，使之各自精确地提供一耦合输出轴。

一般说来，该全息片不是用具体的实体特性全面地加以描述的。而是通过它在一或几个限定角度散射给定入射波的特定特性确定的。

该全息片实质上是一横向并经深度调制的、具有电磁辐射的一个波长数量级结构尺寸的导电反射镜面。

最终，在权利要求书中可见到大量另外的实施例。

下面，借助于实施例结合附图将对本发明作更详细的说明。

图1表示示意性表示的准光学回旋管的纵截面图，

图2表示示意性表示的准光学回旋管的横截面图，

图3表示带全息片反射镜面的简化横截面图，以及

图4表示带全息片反射镜的示意性前视图。

附图中所用标号和它们的含义以列表形式在标志单中加以概述。原则上，用相同标号标志相同的部件。

图1表示本发明的一个最佳实施例。一个相应的准光学回旋管包括：用以产生一种例如沿电子束轴2延伸的环形电子束1的第一装置6。所述第一装置6包含：例如，众所周知的磁控管注入电子枪。按亥姆霍兹配置方式（就是说，基本上具有相当于它们的半径的相互间隔）的两个线圈3a、3b产生一平行于电子束轴2的静磁场，使得电子束1的电子被迫进行回旋运动。

由相互对置在谐振腔轴5上的两面反射镜4a、4b构成的准光学谐振腔以这样的方式安置在两个线圈3a、3b之间，即，它的谐振腔5与电子束轴2垂直。

通过电子的回旋运动，在谐振腔中激发一种射频交变电磁场，以便用适当的装置将所要求的电磁辐射耦合输出谐振腔并通过RF出射窗，必要时，通过一种波导传递到负荷，所述RF出身窗相对于外层空间（例如，一种波导）透明封闭一抽成真空的容器9，在该容器中，容纳所述部件。

相互间施加强力的两线圈3a、3b利用一个支承结构7互相支持住。这为谐振腔形成了镗孔或自由空间。该支承结构7，举例来说，可以是备有镗孔的钢托架或适当安排的钛棒的支承框架。

直到这里所述回旋管的部件是人们十分熟悉的（例如，从开始引述的先有技术）。因而，在此就可省略有关这方面的详细说明。

与此相反，耦合输出的类型和方式是新颖的。在下文将对此进行论述。

图2表示按照本发明的回旋管的横截面图。图中，电子束轴2垂直于图示面。在支承结构7之后或者说在其中可见到线圈3b。其余参照图1已述部件都标有与图1相同的标号。

反射镜4a、4b两者都有横截面占据谐振腔。而且，举例来说，是圆形的。它们各自具有一金属或超导的并最好是弯曲成球面的反射镜面8a、8b。根据一个最佳实施例，两反射镜面之一8b呈现一全息片，该全息片以一预定角度α耦合输出谐振腔中振荡的交变磁场的一部分。

反射镜4b上的全息片完全按预定角度α沿一耦合输出轴10把所要求的辐射耦合输出谐振腔。α表示由谐振腔轴5和耦合输出轴10所夹的角度。它明确不为零，也就是说，这样耦合输出的辐射可紧挨着对置的反射镜4a的一侧通过。RF出射窗11位于耦合输出轴10上，并相对一个同轴连接到耦合输出轴10的波导（图上未示出）密封抽成真空的容器9。

角度α最好尽可能小。在这种情况下，耦合输出的辐射可以比较不受干扰地刚好紧挨着反射镜4a的一侧通过。于是，角度α相当于孔径角的数量级，在该角度从衍射镜4b可见到所述镜4a（就是说，取决于镜直径与镜间隔之间的比率）。通常是20°-30°的数量级。

这种使角度为最小的好处在于，供耦合输出用的支承结构7只需要呈现一个比较短的，也就是说，接近径向延伸的孔径，而并不比绝对需要的减弱多少。

图3以线痕图的方式表示备有全息片12的反射镜面8b的一部分。该反射镜面8b基本上垂直于谐振腔轴5。该全息片12是通过反射镜面8b予以体现的。在实际情况中，该结构的特性取决于入射和反射波，特别取决于它们的波长、波前的形状，强度分布（谐振腔耦合输出能量与谐振腔中存储能量之比）及其传播方向（例如，角度α）。一般，不能用简单的几何参数，诸如，厚度d或周期L来描述所述结构。

总括地说，例如可将全息片12描述如下：

1.入射波是谐振腔的高斯模并基本上垂直射到反射镜面（全息平面）。

2.入射波的主要部分（例如，99%）被反射成按相反方向（即，谐振腔轴5的方向）的高斯模。

3.入射波的一小部分（例如，1%）被散射成按角度α的高斯波（即，按耦合输出轴10的方向）。

如果所述高斯波是明确地确定的，则也明确地确定该全息片12。

该全息片的参数对谐振腔的特性也具有影响。这是因为耦合输出的功率比例可用以设定谐振腔的品质因数。以此方向可为回旋管确定最佳的预定功率范围。

就高斯波而论，可以说，关于该结构的几何尺寸，即，厚度d（结构深度）和周期L，一般是所要求的辐射的一个波长的数量级并且发生尖锐的边缘。在毫米级波长的情况下，可因此产生几何尺寸为几十分之一直至几个毫米的数量级。

最终图4表示圆形反射镜的示意性前视图。用以耦合输出所要求高斯波的全息片由多个相邻延伸的相似的曲线加以表示，这些曲线例示结构的凸起部分。该凸起部分一般在小区域内是周期性的，而不在整个全息片范围内有周期性。

可有利在应用计算机来生产按照本发明的全息片。当把以上说明的全息片参数输入计算机时，计算机就被用来计算反射镜面的具体结构。于是，借助于机床把计算出的结构转移到反射镜面。这种生产方法利用了这样的事实，即全息结构的尺寸是约1/10mm的数量级。

然而，也可能用毫米波照相来记录全息片。在该方法中，使谐振腔的高斯模与光学全息术类似地与准备耦合输出的高斯波进行干涉，并将形成的干涉图用照相记录下来。

在下文中，将简短论述本发明另外一些实施例。

迄今为止，所论述的始终是在球面形弯曲的反射镜上的全息片。但是，本发明并不只局限于这样的反射镜。也可以十分方便地采用一种平面反射镜，并在全息片中结合球面曲率效应。

另一要点是散射方向的数目。迄今为止，总是强调只正好按一个方向发生耦合输出。然而，这仅与一个实施例符合。换句话说，如果全息片正好按二个或一般正好按n个预定耦合输出方向散身高斯波的话，也仍然是在本发明的范围之内。多重耦合输出可以是一种有利点，举例来说，如果涉及的情况是，受到RF出射窗允许载荷能力限制的输出功率，能够成倍增长获得回旋管高的总计功率。如前所述，使辐射仅按例如两个预定耦合输出轴方向散射对取得高效率来说是很重要的。

在具有两个耦合输出方向的全息片的情况下，最好将所述两个耦合输出轴安置在对称于谐振腔轴之处。

也可以用不同的方式来倍增总功率，即为谐振腔的两面反射镜4a、4b各自配置一个适当的全息片。这样，可获得两个高斯波，例如，借助于两片各自正好有一个耦合输出方向的全息片。

原则上，本发明并不限制于高斯波形状。也可以按完全相类似的方法为其它用途耦合输出其它的、甚至任意的波形。

总括地说，按照本发明借助于耦合输出的类型，可以产生大连续功率的毫米和次毫米波。这样产生的波可没有显著损耗地用常规波导传递到远的负荷。

标志单

1-电子枪;2-电子束轴;3a、3b＝线圈;4a、4b＝反射镜;5-谐振腔轴;6-用以产生电子束的装置;7-支承结构;8a、8b＝反射镜面;9-容器;10-耦合输出轴;11-RF出射窗;12-全息片;

Claims (10)

1、一种准光学回旋管，它包括：

用以产生沿电子束轴方向延伸的电子束的第一装置；

用以产生与电子束轴平行的静磁场、藉此迫使电子束的电子进行回旋运动的第二装置，

在与电子束轴垂直的谐振腔轴上呈现相互对置的两面反射镜的准光学谐振腔、在其中，电子的回旋运动激发一个交变电磁场，

用以把电磁辐射耦合输出谐振腔的第三装置，

其特征在于：

该第三装置至少包含一全息片，该全息片至少是在谐振腔两反射镜之一的反射镜面上的一个全息片，并具有这样的特性，即使准备耦合输出的辐射至少正好按一个耦合输出轴的方向进行散射，该至少正好一个耦合输出轴与谐振腔轴形成一个预定的不等于零的角度a。

2、如权利要求1所述的准光学回旋管，其特征在于：该耦合输出轴和谐振腔轴定位在基本上垂直于电子束轴的共同平面内。

3、如权利要求1所述的准光学回旋管，其特征在于：该全息片相当于在全息平面中在预定角度α条件下两高斯波的叠加;两高斯波之一基本上垂直地射到该全息平面。

4、如权利要求1所述的准光学回旋管，其特征在于：该全息片是以这样的方式构造的，即，它仅仅正好按一个耦合输出轴的方向散射电磁辐射。

5、如权利要求1所述的准光学回旋管，其特征在于：该全息片是以这样的方式构造的，即，它仅仅正好按两个耦合输出轴的方向散射电磁辐射。

6、如权利要求1所述的准光学回旋管，其特征在于：耦合输出轴与谐振腔轴间的夹角α应尽可能小，使得耦合输出的辐射恰好能基本上无干扰地紧挨着对面谐振腔的第二反射镜通过。

7、如权利要求1所述的准光学回旋管，其特征在于：该全息片是以这样的方式构造的，即，在谐振腔中振荡的交变场只有很少百分数被耦合输出。

8、如权利要求1所述的准光学回旋管，其特征在于：该全息片是一种横向并经深度调制的导电反射镜面，其结构尺寸为电磁辐射一个波长的数量级。

9、如权利要求1所述的准光学回旋管，其特征在于：

（1）用以产生一静磁场的第二装置包含两个沿电子束轴按玄姆霍兹配置方式排列的线圈，

（2）准光学谐振腔是提供在所述两线圈之间的，以及

（3）谐振腔轴和耦合输出轴定位在垂直于电子束轴的共同平面内。

10、如权利要求1所述的准光学回旋管，其特征在于：该反射镜面基本上垂直于谐振腔轴且球面形弯曲，同时，该反射镜基本上是圆形的。