DE3617779A1 - Fluiddichte kopplungsvorrichtung fuer mikrowellenstrahlung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine fluiddichte Auskoppelvor­ richtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zum Auskoppeln von Mikrowellen aus einer Mikrowellenquelle sowie zum Einkoppeln von Mikrowellen aus einem gasgefüllten Hohlleiter in ein Vakuumgefäß und ähnliche Anwendungen werden vakuumdichte oder allgemeiner fluiddichte Kopplungsvorrichtungen ("Mikrowellenfenster") benötigt. Für extrem hohe Mikrowellenlei­ stungen, z.B. im Megawattbereich, bei höheren Frequenzen (z. B. oberhalb einiger 10 GHz) und größeren Pulslängen (z. B. mehrere Sekunden bis Dauerstrich), wie sie beispielsweise mit Gyrotrons oder Freielektronenlasern erzeugt werden können, ergeben sich Leistungsdichten und thermische Belastungen, die mit den bekannten Ein- oder Mehrscheibenfenstern nicht mehr beherrscht werden können. Für spezielle Anwendungen, z. B. die Hochfrequenzheizung eines Plasmas in der Fusionsforschung, wird daher ein fensterloser Betrieb der Hochfrequenzquelle diskutiert. Eine derartige Betriebs­ weise ist aber mit erheblichen Nachteilen und größten Proble­ men verbunden.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine fluiddichte Kopplungsvorrichtung zur Übertragung von Mikrowellenstrahlung hoher Energie anzugeben, die sich auch für sehr hohe Hochfrequenzdurchgangsleistungen und länger dauernde Belastungen eignet.

Diese Aufgabe wird durch die im folgenden beschriebene und in den Patentansprüchen gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Die Kopplungsvorrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht es, die anfallende HF-Verlustleistung von typisch 1 bis 2% der HF-Durchgangsleistung auf eine Fensterfläche zu verteilen, die typischerweise um eine bis zwei Größenordnungen größer ist als bei den bekannten Mikrowellenfenstern. Durch die zylin­ drische Bauform des eigentlichen Fensters ergibt sich außerdem eine höhere mechanische Festigkeit, so daß man auch bei größeren Zylinderdurchmessern mit sehr geringen Wandstärken auskommt, wodurch die Absorption und damit die Verlustleistung entsprechend reduziert werden.

Bei einer HF-Durchgangsleistung von 1 bis 2 MW ist eine mittlere Flächenbelastung von 3 bis 4 Watt/cm² erreichbar, die durch einen forcierten Luft- bzw. Gasstrom ohne weiteres abgeführt werden kann.

Für noch höhere Durchgangsleistungen in der Größenordnung von 10 bis 20 MW kann man das Fenster von außen mit einer geeigneten, dämpfungsarmen Kühlflüssigkeit, z. B. einem geeigneten Öl, insbesondere Siliconölen oder Petroleum, kühlen, die gegebenenfalls mit freier Oberfläche (senkrechte Stellung des Eingangs-Hohlleiters) umgepumpt werden kann.

Die Kopplungsvorrichtung gemäß der Erfindung ist besonders, jedoch nicht ausschließlich geeignet für Hochfrequenzquellen mit axialsymmetrischer Moden-Emission TE_on (z. B. Gyrotrons). Bei nichtaxialsymmetrischen Moden (z. B. whispering gallery etc.) kann durch Rotation (zirkular polarisierte Emission) eine gleichmäßige Belastung der Fensterfläche erreicht werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, in denen die

Fig. 1 bis 4 etwas schematisierte Axialschnitte von vier verschiedenen Ausführungsformen der Kopplungsvorrichtung (Mikrowel­ lenfensteranordnung) gemäß der Erfindung zeigen. Alle dargestellten Ausführungsformen sind rotationssymmetrisch.

Die in Fig. 1 dargestellte Mikrowellenfensteranordnung (10) enthält ein zylindrisches Rohr (12) aus einem dielektrischen, möglichst verlustarmen, mikrowellendurchlässigen Material, wie Hochfrequenzkeramik, Al₂O₃, SiO₂ oder Quarzglas. Das Rohr (10) bildet eine fluchtende Fortsetzung eines Hohlleiters (14), der einen kreisförmigen Querschnitt hat und den Ausgangshohlleiter einer Mikrowellenquelle, z.B. eines Gyrotrons oder eines Freielek­ tronenlasers bilden kann. Das eine Ende des dielektrischen Rohres (12) ist vakuumdicht mit dem Ende des Hohlleiters (14) verbunden. Am anderen Ende des Rohres (12) ist ein in das Innere des Rohres vorspringender, in erster Näherung konusförmiger Reflektor (16) vakuumdicht angeschmolzen. An dem mit dem Rohr (12) verbundenen Ende des Hohlleiters (14) ist ferner außen ein becherartiger Hohlleiterabschnitt (18) angebracht, der das Rohr (12) mit Abstand umgibt, über dessen Ende hinausreicht und ein dem Hohlleiter (14) abgewandtes offenes Ende (20) hat, das z. B. mit einem Hohlleiter (22) vergrößerten Querschnitts, der zu einem Verbraucher für die Mikrowellenleistung führt, verbunden sein oder als eine Art von Hornstrahler wirken kann.

Der aus Metall bestehende Hohlleiterabschnitt (18) hat eine polierte, reflektierende, etwa tulpenförmige Innenwand (24), die im Bereich, der dem Rohr (12) gegenüberliegt, im Querschnitt gemäß einer Funktion f ₁ (z) verläuft, wobei z die Axialrichtung bedeutet. Der aus Metall oder Keramik bestehende Reflektor (16) hat eine reflektierende, glatte innere Oberfläche (26), die in Richtung auf den Hohlleiter (14) spitz zuläuft und von der Achse nach außen konkav entsprechend einer zweiten Funktion f ₂ (z) verläuft. Die Funktionen f ₁ (z) und f₂ (z) werden so gewählt, daß die vom Hohlleiter (14) mit einer Mode des Typs TE_mn auf die Oberfläche (26) auftreffende Mikrowellenstrahlung nach Durchgang durch das als eigentliches Fenster wirkende Rohr (12) an der Oberfläche (24) in sich selbst oder eine wohldefinierte Nachbar-Mode (TE′_mn) übergeführt wird, weitere Nebenmoden zu einem Minimum gemacht und zugleich auch rücklaufende Wellen minimiert werden. Die Fensterstruktur gemäß Fig. 1 eignet sich für TE_on-Moden sowie (gegebenenfalls rotierende) TE_mn-Moden mit m größer als 0. Eine erste Optimierung der Funktionen f ₁ (z) und f ₂ (z) kann mit Hilfe optischer Reflexionsbetrachtungen erreicht werden. Zur weiteren Optimierung kann sich ein Variations­ verfahren, z.B. unter Verwendung von finiten Elementen anschließen. Die Optimierung kann mit Hilfe eines geeigneten Moden-Analysators (k-Spektrometer) hinsichtlich Reflexionen und Störmodenerzeugung durchgeführt und überprüft werden.

Die Mikrowellenfensteranordnung gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der gemäß Fig. 1 vor allem dadurch, daß der zur Fenster­ struktur führende Hohlleiter (114) einen Erweiterungsabschnitt (115) aufweist, dessen Innenwand entsprechend einer Funktion f ₃ (z) verläuft. Das Ende des erweiterten Abschnittes (115) ist dicht mit einem als Fenster dienenden Keramikrohr (112) und einem becherförmigen Abschnitt (118), der das Keramikrohr mit Abstand umgibt, verbunden. Das Rohr (112) hat hier also einen größeren Durchmesser als der ursprüngliche ankommende Hohlleiter (114). An dem dem Hohlleiter (114) abgewandten Ende ist wieder ein Reflektor (116) des anhand von Fig. 1 erläuterten Typs dicht angebracht, dessen Oberfläche durch eine Funktion f′₂ (z) definiert ist.

Die Funktion f′₁(z) der reflektierenden Fläche des becherförmigen Hohlleiterabschnitts (118) und die Funktion f′₂ (z) des Reflektors (116) sind so gewählt, wie es anhand von Fig. 1 für die Funktionen f ₁ (z) und f ₂ (z) erläutert wurde. Die Erweiterung (115) und der dadurch ermöglichte größere Durchmesser des Rohrs (112) ermöglichen eine Verringerung der Baulänge der Mikrowellenfenster- Anordnung, da eine dem vergrößerten Durchmesser entsprechend vergrößerte Fensterfläche pro Längeneinheit zur Verfügung steht. Die Funktion f ₃ (z) wird in die Optimierung der Funktionen f′₁ (z) und f′ ₂ (z) einbezogen.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 entspricht im wesentlichen der gemäß Fig. 1 mit der Ausnahme, daß der becherförmige Hohlleiter­ abschnitt (18) mit Anschlüssen (28) bzw. (30) zum Einleiten bzw. Abführen eines Gases zum Kühlen des Rohres (12) versehen ist. Diese Ausführungsform eignet sich beispielsweise für Durch­ gangsleistungen von 1 bis 2 MW.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist für extrem hohe Durchgangslei­ stungen, z.B. in der Größenordnung von 10 MW und mehr geeignet. Die Fensteranordnung wird mit senkrecht stehender Achse betrieben und der Hohlleiterabschnitt (18) ist mit Anschlüssen (32, 34) zum Einlaß bzw. Auslaß einer dielektrischen Kühlflüssigkeit (36) geringer Dämpfung versehen, die eine freie Flüssig­ keitsoberfläche (38) bilden kann und in einem nicht dargestellten Kühlkreislauf umgewälzt wird. Als Kühlflüssigkeit eignet sich zum Beispiel reinstes Petroleum.

Typische Dimensionen für Frequenzen von ca. 60 bis 100 GHz sind:

Axiale Länge des Rohres (12) ca. 0,5-1 m;

Durchmesser des Rohres (12) ca. 50-100 mm;

Durchmesser des Austrittsendes des Hohlleiterabschnittes (18) ca. 100-200 mm.

Claims (7)

1. Fluiddichte Kopplungsvorrichtung für Mikrowellenstrahlung hoher Energie, mit einem Hohlleiter, der ein mit einer Mikrowellen­ quelle koppelbares Einspeisungsende und ein mit einem dielek­ trischen, für die Mikrowellenstrahlung durchlässigen Fenster fluiddicht verschlossenes Auskoppelende hat, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (12) die Form eines Rohres hat, das eine Fortsetzung des Hohlleiters (14) bildet, am einen Ende mit dessen Auskoppelende dicht verbunden ist und am anderen Ende durch einen in erster Näherung kegelförmigen Mikrowellenreflektor (16) dicht verschlos­ sen ist, der die aus dem ihm gegenüberliegenden Auskoppelende des Hohlleiters (14) axial austretende Mikrowellenstrahlung nach der Seite durch das rohrförmige Fenster (12) reflektiert und daß das Fenster (12) mit einem näherungsweise becherförmigen Hohlleiterabschnitt (18) umgeben ist, der die durch das Fenster auf ihn fallende Mikrowellenstrahlung im wesentlichen in die Richtung reflektiert, in der die Mikrowellenstrahlung aus dem Auskoppelende des Hohlleiters (14) austritt.

2. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (16) die Form eines sich in Richtung auf das Auskoppelende des Hohlleiters (14) verjüngenden Rotationskörpers hat, dessen reflektierende Fläche (26) im Axialschnitt zwischen der Spitze und dem Rand zum Hohlleiter (14) hin konkav ist.

3. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der das rohrförmige Fenster (12) umgebende Hohlleiterab­ schnitt (18) eine etwa tulpenförmige reflektierende Innenfläche (24) hat.

4. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Auskoppelende (115) des Hohlleiters (114) einen sich in Fortpflanzungsrichtung der Mikrowellen erweiternden Querschnitt aufweist und daß das rohrförmige Fenster (112) einen entsprechend großen Durchmesser hat (Fig. 2).

5. Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (28, 32) zum Zuführen eines Kühlfluids zur Außenseite des rohrförmigen Fensters (12).

6. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der das rohrförmige Fenster (12) umgebende Hohlleiterabschnitt (18) mit einer Zuleitung (32) sowie einer Ableitung (34) für ein dämpfungsarmes flüssiges Kühlmittel versehen ist.

7. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Fenster (12) und der es umgebende Hohlleiterab­ schnitt (18) mit im wesentlichen senkrechter Achse angeordnet sind und die Kühlflüssigkeit im Hohlleiterabschnitt (18) eine freie Flüssigkeitsoberfläche (30) bildet (Fig. 4).