CN115621693A - 一种微波谐振腔的内部场耦合结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波谐振腔的内部场耦合结构，包括谐振腔和梁体；谐振腔和梁体均为导电材料；谐振腔内真空，谐振腔内设有第一腔体和第二腔体；第一腔体的径向尺寸小于第二腔体的径向尺寸，第一腔体接通第二腔体，第一腔体和第二腔体内沿轴线方向布置多个梁体；梁体设有窄段和宽段，窄段设于第一腔体内，宽段设于第二腔体内；宽段设有耦合窗，耦合窗邻近于窄段布置；多个梁体均连接固定谐振腔内壁，多个梁体相对布置，多个梁体的工作部位相互对准，多个梁体的工作部位间设有间隙；谐振腔输入端设有束流入口，谐振器输出端设有束流出口，束流入口与束流出口均对准间隙。本发明切实解决了现有耦合机构结构复杂且无法有效改善电磁集中现象的问题。

Description

一种微波谐振腔的内部场耦合结构

技术领域

本发明涉及微波谐振领域，特别涉及一种微波谐振腔的内部场耦合结构。

背景技术

现有的谐振腔一般只有一种微波谐振结构，而采用两种或多种微波谐振结构的射频谐振腔，由于两种谐振结构具有不同的尺寸和工作时不同的电磁场模式，导致不同谐振结构的匹配段产生电磁场集中现象，这极大的增加了该处电压击穿的风险，这对该型谐振腔的运行将造成严重破坏和影响，因此需要在匹配段进行电磁耦合来改善电磁集中现象，因此需要设计特点的耦合结构来改善电磁集中现象。

现有耦合机构的方式主要是外耦合和接地短路；外耦合方式是通过外加一个较大的微波空间来改善匹配段的电磁场分布，但是该方法只能一定程度抑制，无法完全避免匹配段的电磁场畸变，也无法有效地分离两种微波谐振结构工作时的电磁场模式；接地短路方式是电磁场集中的区域增加接地元件，但是该方法会增加额外的功率损耗和设计上的复杂性。

除此之外，在腔体滤波器领域也存在耦合情况，现有技术公开过一种腔体滤波器的容性耦合结构及腔体滤波器，其原理是通过在相邻谐振器之间开设可调节尺寸耦合窗口，使得原本互不干涉的电磁场相通，进而调节滤波器的谐振器频率，但是，其并非用于改善电磁集中现象，而是使得电磁场相通，并非本技术方案要解决的问题。

因此，研究一种结构简单且可有效改善电磁集中现象的耦合结构具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微波谐振腔的内部场耦合结构，以解决现有耦合机构结构复杂且无法有效改善电磁集中现象的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种微波谐振腔的内部场耦合结构，包括谐振腔和梁体；所述谐振腔和所述梁体均为导电材料；所述谐振腔内真空，所述谐振腔内设有第一腔体和第二腔体；所述第一腔体的径向尺寸小于所述第二腔体的径向尺寸，所述第一腔体接通所述第二腔体，所述第一腔体和所述第二腔体内沿轴线方向布置多个所述梁体；所述梁体设有窄段和宽段，所述窄段设于所述第一腔体内，所述宽段设于所述第二腔体内；所述宽段设有耦合窗，所述耦合窗邻近于所述窄段布置；多个所述梁体均连接固定所述谐振腔内壁，多个所述梁体相对布置，多个所述梁体的工作部位相互对准，多个所述梁体的工作部位间设有间隙；所述谐振腔输入端设有束流入口，所述谐振器输出端设有束流出口，所述束流入口与所述束流出口均对准所述间隙。

在其中一个实施例中，所述第一腔体为圆柱体；所述第二腔体亦为圆柱体；两个所述圆柱体的轴线均布置于同一谐振腔轴线上。

在其中一个实施例中，所述束流入口的轴线、所述束流出口的轴线与所述间隙的轴线均布置在同一轴线上。

在其中一个实施例中，所述间隙的距离处处相等。

在其中一个实施例中，所述耦合窗的长度方向垂直于所述谐振腔轴线布置。

在其中一个实施例中，所述耦合窗边缘和所述梁体边缘均设置倒角。

在其中一个实施例中，所述耦合窗形状为规则形状。

在其中一个实施例中，所述梁体壁面和所述谐振腔内壁均光滑。

在其中一个实施例中，所述上梁与所述下梁的两端均设置有底切结构。

本发明的有益效果如下：

由于所述梁体设有窄段和宽段，所述窄段设于所述第一腔体内，所述宽段设于所述第二腔体内；所述宽段设有耦合窗，所述耦合窗邻近于所述窄段布置，所以在进行应用时，所述耦合窗布置于所述第一腔体和所述第二腔体匹配段处，当所述第一腔体的电磁场与所述第二腔体的电磁场在匹配段处形成电磁集中现象时，所述耦合窗设在电磁集中区域，为该区域提供额外的电磁场通路，平滑了电磁场集中区域的场分布，可有效解决了电磁集中的现象。

同时，通过在两个电磁场区域间设置结构简单的所述耦合窗，不仅可以降低该处打火击穿现象出现的可能性，还可以增加该处束流传输效率，防止束流因电磁场在匹配段处集中和畸变而产生的束流不匹配现象，从结构上取代了现有耦合机构需要外加一个较大的微波空间或者增加接地元件加大设计复杂性的问题，可有效解决现有技术耦合结构复杂的问题。

综上所述，本发明切实可行的解决了现有耦合机构结构复杂且无法有效改善电磁集中现象的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明优选实施方式提供的整体结构示意图；

图2是本发明优选实施方式提供的梁体结构示意图；

图3是本发明优选实施方式提供的电磁场匹配段大样结构示意图；

图4是本发明优选实施方式提供的耦合窗剖面结构示意图；

图5是本发明优选实施方式提供的束流包络示意图；

图6是本发明优选实施方式提供的未设耦合窗的匹配段电磁场区域示意图；

图7是本发明优选实施方式提供的开设耦合窗的匹配段电磁场区域示意图。

附图标记如下：

1、谐振腔；2、第一腔体；3、第二腔体；4、梁体；5、窄段；6、宽段；7、耦合窗；8、间隙；9、束流入口；10、束流出口；11、电磁场匹配段；12、未设耦合窗的匹配段电磁场区域；13、开设耦合窗的匹配段电磁场区域；14、未设耦合窗的匹配段束流包络；15、开设耦合窗的匹配段束流包络；16、底切。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。

首先介绍一下本申请的应用领域和场景，本发明涉及微波谐振领域的微波谐振腔，微波谐振腔是一种在微波频率下工作的谐振元件，微波谐振腔是一个任意形状的由导电壁或导磁壁包围的，并能在其中形成电磁振荡的区域，通常由封闭金属腔体构成，可以应用在用于微波波段的谐振电路，微波谐振腔具有储存电磁能及选择一定频率信号的特性，因此广泛应用在粒子加速、微波通讯以及微波测量等场景。

而本发明的应用场景为粒子加速场景，通过在微波谐振腔内设置两种或多种微波谐振结构的射频谐振腔，对束流进行加速，而两种或多种微波谐振结构间需设置耦合结构，但是，目前的耦合结构存在各种问题，例如存在电磁集中导致电压击穿现象、不同微波谐振结构的电磁场模式无法分离以及结构复杂等问题，耦合结构的这些缺陷影响了微波谐振腔的安全运行。因此，本申请实施例提供一种微波谐振腔的内部场耦合结构，该耦合结构采用较为简单的结构设计，结合设计耦合窗以提供额外的电磁场通路实现对电磁集中现象的改善。

接下来，将结合附图对本申请所提供的微波谐振腔1的内部场耦合结构的优选实施例进行介绍。

请参照图1所示的整体结构示意图，微波谐振腔1设置谐振腔1、梁体4和耦合窗7，谐振腔1用于设置不同谐振场对束流进行加速，梁体用于为电极提供支撑和供电，耦合窗用于为将电磁场匹配段11的交汇电磁场提供额外通路，核心思想在于，谐振腔1的不同谐振场在对梁体4间隙8中的束流进行加速时，利用谐振腔1内梁体4上的耦合窗7，耦合谐振腔1内电磁集中的现象。

有关谐振腔1，请参照图1至图4所示，谐振腔1腔体使用导电材料制成，谐振腔1内壁光滑，谐振腔1内真空，谐振腔1输入端设有束流入口9，谐振腔1输出端设有束流出口10；而且谐振腔1内设有第一腔体2和第二腔体3，第一腔体2接通第二腔体3，第一腔体2的径向尺寸小于第二腔体3的径向尺寸，第一腔体2和第二腔体3均为圆柱体谐振腔1，两者圆柱体的轴线均布置于同一谐振腔1轴线上。

需要指出的是，第一腔体2和第二腔体3布置于同一轴线上才可对束流做连续的直线加速；而第一腔体2和第二腔体3均采用圆柱体谐振腔1结构的原因在于，圆柱体谐振腔1具有品质因数高、场沿角向无变化和无极化简并模式等优点，因此本实施例第一腔体2和第二腔体3均优选均使用圆柱体谐振腔1。

其中，谐振腔1内壁光滑和谐振腔1内真空的目的均在于减少粒子的能量散失。

需要指出的是，谐振腔1内抽真空可以减少束流在运动中与空气残余气体碰撞而造成粒子的丢失和束流性能变坏等问题；谐振腔1内壁光滑亦可减少束流与谐振腔1内壁接触时的能量散失。

其中，第一腔体2在谐振腔1内的布置如图1所示，第一腔体2用于布置射频四极微波谐振区，射频四极微波谐振结构为四翼型，其工作模式为四极模TE₂₁₀模式(TE₂₁₀模式即电场在x方向上起伏两次，在y方向上起伏一次)，由波浪形电极产生的高频四极场同时实现束流的横向聚焦、纵向聚束和加速。

需要指出的是，射频四极场谐振结构用于对低能区离子束进行加速，束流传输效率高，因此通常射频四极场谐振结构作为离子源后首级加速结构。

其中，第二腔体3在谐振腔1内的布置如图1所示，第二腔体3用于布置漂移管微波谐振区，漂移管谐振结构工作模式为TE₁₁₀模式(TE₁₁₀模式即电场在x方向上起伏一次，在y方向上起伏一次)，通过漂移管之间的电场对束流进行加速，束流进入漂移管微波谐振区内处于电磁屏蔽状态，并受到安装在漂移管微波谐振区内的磁铁的约束力而实现横向聚焦。

需要指出的是，漂移管谐振结构对中能区束流加速效果较好，通常安装在射频四极场谐振结构后，用于与射频四极场谐振结构配合进行束流的整体加速。

特别指出的是，TE模式是指电磁波的传播方向上电场的纵分向量为零，磁场的纵向分量不为零的传播模式；而在实际中有横电磁波(TEM模式)、横电波(TE模式)、横磁波(TM模式)三种导波形式；本发明谐振腔1均在TE模式下运行，但分别在TE模式的不同子模式下运行，TE下标数字以m、n和p为字母代表，分别表示场强沿x、y和z坐标起伏的次数，当然所述的坐标维数不唯一，包括但不限于二维和三维等，一次起伏指正弦电场的一个半周期；而不同的加速结构需要工作在不同的模式下，因而设置两种模式加以工作运行。

应当理解，由于谐振腔1含有射频四极微波谐振区与漂移管微波谐振区梁总不同工作模式和电极结构的射频微波谐振区，而为了使所述谐振腔1在同一频率下工作，必须调整各谐振结构的电容，而漂移管微波谐振区结构的电极较所述射频四极微波谐振区结构的电极复杂，因此设置射频四极微波谐振区的第一腔体2半径较设置漂移管微波谐振区的第二腔体3半径小，可有效满足不同微波谐振区的结构特征，从而对束流进行加速。

另外，谐振腔1的导电材料包括但不限于导电或导磁材料，本实施例优选导电材料为铜，本领域技术人员可根据自身需求进行选择。

有关梁体4，请参照图1和图2所示，两个梁体4均使用导电材料制成，两个梁体4表面均光滑，且梁体4边缘均设置倒角，而梁体4结构一般和外壳一体加工，因此梁体4与外壳相连处无法倒角；两个梁体4沿谐振腔1轴线方向均布置在第一腔体2和第二腔体3内，梁体4设有窄段5和宽段6，窄段5设于所述第一腔体2内，宽段6设于所述第二腔体3内；两个梁体4均连接固定在谐振腔1内壁上，两个梁体4相对布置，两个梁体4的工作部位相互对准，两个梁体4的工作部位间设有间隙8。

需要理解的是，梁体4内壁光滑可减少束流与谐振腔1内壁接触时的能量散失，而梁体4边缘设置倒角的处理可有效降低棱角周围的最大表面电场，从而防止尖端电压击穿梁体4边缘的风险。

其中，两个梁体4在谐振腔1内的布置如图1、图2和图4所示，梁体4在谐振腔1内的作用是为电极提供支撑和供电，而由于谐振腔1内设置了射频四极微波谐振区和漂移管微波谐振区，两种微波谐振区的电容和电极均有不同，进而使得第一腔体2和第二腔体3的半径分区域不同，最终导致梁体4在不同微波谐振区内体积和结构不同，因此梁体4需设为窄段5和宽段6，并且分别将窄段5对应设有射频四极微波谐振区的第一腔体2，宽段6对应设有漂移管微波谐振区的第二腔体3。

需要指出的是，梁体4的窄段5和宽段6均在同一梁体4上，即梁体4在第一腔体2部分和在第二腔体3部分都是一体的，均为同一个梁体4。

其中，间隙8在谐振腔1内的布置如图1、图3和图4所示，两个梁体4上下相对布置，即布置于谐振腔1内的上下两侧，并且沿同一平面对称布置，这样即可防止电极结构偏移，进而减少了束流发散损失，而布置于谐振腔1内上方的梁体4底部为加速壁面，布置于谐振腔1内下方的梁体4顶部亦为加速壁面，两个梁体4的加速壁面相互对准而形成间隙8，并且使得间隙8的距离处处相同，间隙8对准束流入口9和束流出口10，且束流入口9的轴线、束流出口10的轴线和间隙8的轴线处在同一轴线上，使得束流可以在两个加速壁面的间隙8内进行加速。

需要指出的是，通过这样的设置，束流自束流入口9进入间隙8，并在间隙8中通过射频四极场微波谐振区与漂移管微波谐振区进行加速，最终经过合适加速的束流通过束流出口10离开微波谐振腔1，而间隙8的距离处处相同可保证束流在加速时，不会因间隙8结构偏移而导致束流发散损失，间隙8的距离大小由电极结构的大小确定，本领域技术人员可根据自身需求进行确定。

应当理解，两个梁体4形状结构需可以稍有差异，差异主要在于所述梁式结构两端设置的底切16结构，底切16结构为梁体4两端的矩形缺口，用于提高两端的电场峰值，可更好的调整两端的场分布，梁体4其余部分形状均相同，且两个梁体4必须相对布置，否则，若两个梁体4不对称放置，将会导致电极结构偏移，最终使得束流发散损失。

另外，梁体4的导电材料包括但不限于导电或导磁材料，本实施例优选导电材料为铜，本领域技术人员可根据自身需求进行选择。

有关耦合窗7，请参照图1和图2所示，耦合窗7设在两个梁体4的宽段6并且邻近于窄段5布置；耦合窗7的长度方向垂直于谐振腔1轴线方向布置；耦合窗7的形状为规则形状，且耦合窗7的边缘进行倒角处理。

需要指出的是，耦合窗7边缘设置倒角的处理原理与梁体4设置倒角原理一致，均是通过设置倒角，能有效降低棱角周围的最大表面电场，从而防止尖端电压击穿梁体4边缘的风险。

其中，耦合窗7布置位置如图2所示，两个耦合窗7分别设于两个梁体4的电磁场匹配段11，两个耦合窗7均贯通梁体4与谐振腔1腔体内的真空相通，即在射频四极微波谐振区电磁场和漂移管微波谐振区电磁场之间的电磁场匹配段11区设置额外电磁场通路，使原本只能通过间隙8相通的电磁场，在两侧梁体4均设置耦合窗7，以提供额外的电磁场通路，从而改善电磁集中的现象。

需要指出的是，因铜制梁体4为导电材料，可以导电并产生磁场，进而产生磁场屏蔽，使得电磁场无法穿透铜制梁体4，而耦合窗7的设置，增加了电磁场匹配段11的电磁场通量，一方面，如图6所示，当未设耦合窗7时的匹配段电磁场集中于腔体中心而可能引发的打火击穿现象，如图7所示，当设置了耦合窗7时的匹配段电磁场，可以通过耦合窗7谐振腔1中心处的电磁场耦合到谐振腔1的外围，电磁场可通过耦合窗7使梁体4两端的磁场线直接连接，分担通过加速间隙连接的磁场线数目，电场线由原来的在加速中心处闭环缓解为可通过耦合窗实现闭环，缓解电磁场集中于腔体中心而可能引发的打火击穿现象，起到调整场分布的作用，以减少中心的电磁场集中性，降低中心处电场峰值，使电场峰值均匀，并可以优化中心电场的平坦度，有效地区分了两种微波谐振结构的电磁场模式；另一方面，图5所示，可明显对比出未设耦合窗7的匹配段电磁场区域12与开设耦合窗7的匹配段电磁场区域13的束流包络情况，开设耦合窗7的匹配段束流包络15发散受影响程度小于未设耦合窗7的匹配段束流包络14，因此增设的耦合窗7可增加该处的束流传输效率，更加有利于束流的加速，减少束流发散和损失，总体来说提高了多种微波谐振腔1的安全性和性能。

其中，耦合窗7布置方向如图1至图4所示，耦合窗7的长度方向垂直于谐振腔1轴线方向布置，通过这样的设置，可在电磁场匹配段11中电磁场集中的竖向区域设置尽可能多的耦合通路，以缓解电磁场集中的现象。

其中，耦合窗7的形状为规则形状，规则形状可提供足够多的空间形成电磁通路，以缓解电磁集中的现象。

需要指出的是，耦合窗7的形状包括但不限于矩形、圆形和椭圆形，本方案耦合窗7形状优选为矩形，而形状的长度和宽度参数根据电极结构的大小而确定，因此，针对耦合窗7形状和尺寸，本领域技术人员可根据自身需求进行选择。

如上所述，相比现有领域的耦合结构，本技术方案在不引入额外高频元件和电磁场损失的基础上，通过在电磁场匹配段11的梁体4内设计结构简单的耦合窗7，增加了不同微波谐振区域的电磁匹配段部分的电磁场通路，降低了该处的峰值电场、平均电场以及平滑了电场分布，有效地降低了匹配段处因电磁场集中而引发的电压击穿风险，很好地将不同微波谐振结构的电磁场模式分离，最终提高含有不同微波谐振结构的谐振腔1的安全性和稳定性，以提高束流传输效率。

除上述之外，需特别说明的是，在滤波器技术领域中，腔体滤波器的谐振器同样开设有耦合窗7，但是其耦合窗7原理与本技术方案耦合窗7原理不同。

滤波器的谐振器中的耦合窗7原理在于，由于互不干涉的谐振器区域需要单独的调谐操作，增加了调谐难度，故可在互不干涉的两谐振器之间开设耦合窗7，腔体滤波器耦合窗7的目的在于使原本互不干涉的谐振器之间的电磁场相通，进而通过单一操作调整元件之间的电容，最终达到频率的容性耦合调节。具体方法在于，滤波器耦合窗7开设于两谐振器之间区域，可使得两区域的电磁场达到上述相通的目的，耦合窗7内设有可调节的频率调谐杆，通过简单地调整频率调谐杆插入耦合窗7内的深度来调谐腔体的容性耦合量，即调整腔体电容。一般来说，频率调谐杆插入深度越深，腔体的电容越小，腔体频率越大；频率调谐杆插入深度越浅，腔体的电容越大，腔体频率越小。因此，腔体滤波器中开设耦合窗7口可使得腔体电容调谐变得简单，最终起到频率调谐作用，类似于加速器腔体的频率调谐器。

本技术方案的耦合窗7原理在于为两种微波谐振场匹配段电磁场提供额外的通路，以缓解电磁场集中于腔体中心而可能引发的打火击穿现象，起到调整场分布的作用，而且不可以影响也不可调节腔体整体电容，对腔体内频率影响甚微。

简而言之，滤波器中的耦合窗7目的在于，为了使原本互不相通的电磁场相通，因为原本两个电磁场间是互不相通的，通过开设耦合窗7，调整两个电磁场的电容，进而影响谐振器的频率；而加速器的耦合窗7目的在于，除了电磁场原本进行相通的间隙8外，为电磁场额外提供一种通路，以缓解电磁场集中现象。综上所述，滤波器耦合窗7原理与本技术方案耦合窗7原理具有明显不同。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种微波谐振腔的内部场耦合结构，其特征在于，

包括谐振腔和梁体；

所述谐振腔和所述梁体均为导电材料；

所述谐振腔内真空，所述谐振腔内设有第一腔体和第二腔体；

所述第一腔体的径向尺寸小于所述第二腔体的径向尺寸，所述第一腔体接通所述第二腔体，所述第一腔体和所述第二腔体内沿轴线方向布置多个所述梁体；

所述梁体设有窄段和宽段，所述窄段设于所述第一腔体内，所述宽段设于所述第二腔体内；所述宽段设有耦合窗，所述耦合窗邻近于所述窄段布置；

多个所述梁体均连接固定所述谐振腔内壁，多个所述梁体相对布置，多个所述梁体的工作部位相互对准，多个所述梁体的工作部位间设有间隙；

所述谐振腔输入端设有束流入口，所述谐振器输出端设有束流出口，所述束流入口与所述束流出口均对准所述间隙。

2.根据权利要求1所述的一种微波谐振腔的内部场耦合结构，其特征在于，

所述第一腔体为圆柱体；

所述第二腔体亦为圆柱体；

两个所述圆柱体的轴线均布置于同一谐振腔轴线上。

3.根据权利要求1所述的一种微波谐振腔的内部场耦合结构，其特征在于，所述束流入口的轴线、所述束流出口的轴线与所述间隙的轴线均布置在同一轴线上。

4.根据权利要求1所述的一种微波谐振腔的内部场耦合结构，其特征在于，所述间隙的距离处处相等。

5.根据权利要求1所述的一种微波谐振腔的内部场耦合结构，其特征在于，所述耦合窗的长度方向垂直于所述谐振腔轴线布置。

6.根据权利要求1所述的一种微波谐振腔的内部场耦合结构，其特征在于，所述耦合窗边缘和所述梁体边缘均设置倒角。

7.根据权利要求1所述的一种微波谐振腔的内部场耦合结构，其特征在于，所述耦合窗形状为规则形状。

8.根据权利要求1所述的一种微波谐振腔的内部场耦合结构，其特征在于，所述梁体壁面和所述谐振腔内壁均光滑。

9.根据权利要求1所述的一种微波谐振腔的内部场耦合结构，其特征在于，所述上梁与所述下梁的两端均设置有底切结构。

Images