EP0247391A2 - Fluid-tight microwave coupling device - Google Patents

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EP0247391A2
EP0247391A2 EP87106414A EP87106414A EP0247391A2 EP 0247391 A2 EP0247391 A2 EP 0247391A2 EP 87106414 A EP87106414 A EP 87106414A EP 87106414 A EP87106414 A EP 87106414A EP 0247391 A2 EP0247391 A2 EP 0247391A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
waveguide
window
coupling device
section
coupling
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP87106414A
Other languages
German (de)
French (fr)
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EP0247391A3 (en
Inventor
Günther Dr.-Ing. Müller
Rolf Prof. Dr. Wilhelm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Original Assignee
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV filed Critical Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Publication of EP0247391A2 publication Critical patent/EP0247391A2/en
Publication of EP0247391A3 publication Critical patent/EP0247391A3/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/08—Dielectric windows

Definitions

  • the present invention relates to a fluid-tight coupling-out device for high-energy microwave radiation with a waveguide which has a feed end which can be coupled to a microwave source and a coupling-out end which is closed in a fluid-tight manner by a dielectric window which is permeable to the microwave radiation.
  • microwave windows Vacuum-tight or more generally fluid-tight coupling devices
  • microwave windows are required for coupling microwaves from a microwave source and for coupling microwaves from a gas-filled waveguide into a vacuum vessel and similar applications.
  • microwave powers e.g. in the megawatt range
  • higher frequencies e.g. above a few 10 GHz, e.g. between 60 and 100 GHz
  • pulse lengths e.g. several seconds to continuous wave
  • windowless operation of the high-frequency source is discussed. Such a mode of operation is associated with considerable disadvantages and greatest problems.
  • a vacuum-tight, radio-frequency-permeable window arrangement between an input-side and an output-side coaxial line in which a ceramic hollow cylinder is arranged between the input-side and the output-side coaxial line, which is the inner conductor of the input-side coaxial line in the area of the transition to surrounds the output-side coaxial line as a continuation of the outer conductor of the input-side coaxial line.
  • a ceramic hollow cylinder is arranged between the input-side and the output-side coaxial line, which is the inner conductor of the input-side coaxial line in the area of the transition to surrounds the output-side coaxial line as a continuation of the outer conductor of the input-side coaxial line.
  • Coaxial cables are provided in the area of the window arrangement, e.g. B. an annular adapter, which surrounds the ceramic hollow cylinder at a distance and is attached to the inside of the inner conductor of the output-side coaxial line.
  • the present invention solves the problem of specifying a fluid-tight coupling device for microwave waveguides, which is also suitable for very high high-frequency throughputs and long-term loads and ensures flawless mode transmission, in that the window has the shape of a tube that continues the waveguide forms, is tightly connected at one end to the coupling-out end and is sealed at the other end by a first approximation conical microwave reflector, which reflects the microwave radiation emerging axially from the coupling-out end of the waveguide opposite it to the side through the tubular window, and that Window is surrounded by an approximately cup-shaped waveguide section which reflects the microwave radiation falling through the window essentially in the direction in which the microwave radiation emerges from the coupling-out end of the waveguide.
  • the coupling device makes it possible to distribute the resulting RF power loss of typically 1 to 2% of the RF transmission power through the at least approximately conical reflector relatively evenly over the window area, which is typically one to two orders of magnitude larger than in the known ones Microwave windows.
  • the cylindrical shape of the actual window also results in a higher mechanical strength, so that even with larger cylinder diameters, very small wall thicknesses can be used, whereby the absorption and thus the power loss are reduced accordingly.
  • an average area load of 3 to 4 watts / cm2 can be achieved, which can be easily dissipated by a forced air or gas flow.
  • the window can be externally coated with a suitable, low-damping coolant, e.g. B. cool a suitable oil, especially silicone oils or petroleum, which can be pumped around with a free surface (vertical position of the input waveguide) if necessary.
  • a suitable, low-damping coolant e.g. B. cool a suitable oil, especially silicone oils or petroleum, which can be pumped around with a free surface (vertical position of the input waveguide) if necessary.
  • the coupling device according to the invention is particularly, but not exclusively, suitable for high-frequency sources with axially symmetric mode emission TE on (eg gyrotrons).
  • axially symmetric mode emission TE on eg gyrotrons
  • non-axially symmetric modes e.g. whispering gallery etc.
  • rotation circularly polarized emission
  • FIGS. 1 to 4 show somewhat schematic axial sections of four different embodiments of the coupling device (microwave window arrangement) according to the invention. All of the illustrated embodiments are rotationally symmetrical.
  • the microwave window arrangement (10) shown in Fig. 1 contains a cylindrical tube (12) made of a dielectric, low-loss, microwave-permeable material, such as. B. high-frequency ceramic, Al2O3, SiO2 or quartz glass.
  • the tube (10) forms an aligned extension of a waveguide (14) which has a circular cross section and can form the output waveguide of a microwave source, for example a gyrotron or a free electron laser.
  • One end of the dielectric tube (12) is vacuum-tight with the end of the waveguide (14) connected.
  • a reflector (16) projecting into the interior of the tube and having a first approximation is fused in a vacuum-tight manner.
  • a cup-shaped waveguide section (18) on the outside which surrounds the tube (12) at a distance, extends beyond its end, and an open end facing away from the waveguide (14) (20) has z. B. with a waveguide (22) enlarged cross section, which leads to a consumer for the microwave power, connected or can act as a type of horn.
  • the metal waveguide section (18) has a polished, reflective, approximately tulip-shaped inner wall (24) which runs in the area opposite the tube (12) in cross section according to a function f 1 (z), where z is the axial direction.
  • the reflector (16) made of metal or ceramic has a reflective, smooth inner surface (26) which tapers in the direction of the waveguide (14) and is concave from the axis to the outside in accordance with a second function f2 (z).
  • the functions f 1 (z) and f 2 (z) are chosen so that the microwave radiation incident on the surface (26) of the reflector (16) from the waveguide (14) with a mode of the type TE mn after passing through the actual window Tube (12) on the surface (24) of the waveguide section (18) is converted into itself or a well-defined neighboring mode (TE ⁇ mn ), further secondary modes are made to a minimum and at the same time returning waves are minimized.
  • 1 is suitable for TE on modes and (possibly rotating) TE mn modes with m greater than 0.
  • a first determination of the functions f 1 (z) and f 2 (z) can be determined with the aid of light-optical reflection tests.
  • a variation method e.g. connect using finite elements.
  • the optimization can be carried out and checked with the aid of a suitable mode analyzer (k spectrometer) with regard to reflections and interference mode generation.
  • the microwave window arrangement according to FIG. 2 differs from that according to FIG. 1 mainly in that the waveguide (114) leading to the window structure has an extension section (115), the diameter of which continuously increases and the inner wall of which corresponds to a function f 3 (z).
  • the end of the widened section (115) is tightly connected to a ceramic tube (112) serving as a window and a cup-shaped section (118) which surrounds the ceramic tube at a distance.
  • the tube (112) here has a larger diameter than the original incoming waveguide (114).
  • a reflector (116) of the type explained with reference to FIG. 1 is again tightly attached, the surface of which is defined by a function f ⁇ 2 (z).
  • the function f ⁇ 1 (z) of the reflecting surface of the cup-shaped waveguide section (118) and the function f ⁇ 2 (z) of the reflector (116) are selected as it is with reference to FIG. 1 for the functions f1 (z) and f2 (z) was explained.
  • the enlargement (115) and the larger diameter of the tube (112) that is made possible thereby enable a reduction in the overall length of the microwave window arrangement, since a window area corresponding to the enlarged diameter is available per unit length.
  • the function f3 (z) is included in the optimization of the functions f ⁇ 1 (z) and f ⁇ 2 (z).
  • FIG. 3 essentially corresponds to that according to FIG. 1 with the exception that the cup-shaped waveguide section (18) with connections (28) or (30) for introducing or discharging a gas for cooling the tube (12) is provided.
  • This embodiment is suitable, for example, for throughputs of 1 to 2 MW.
  • the embodiment according to Fig. 4 is for extremely high throughputs, e.g. suitable in the order of 10 MW and more.
  • the window arrangement is operated with a vertical axis and the waveguide section (18) is provided with connections (32, 34) for the inlet or outlet of a low-damping dielectric cooling liquid (36) which can form a free liquid surface (38) and not in one cooling circuit shown is circulated.
  • a low-damping dielectric cooling liquid (36) which can form a free liquid surface (38) and not in one cooling circuit shown is circulated.
  • Purest petroleum for example, is suitable as the cooling liquid.
  • Typical dimensions for frequencies from approx. 60 to 100 GHz are: Axial length of the tube (12) approx. 0.5 - 1 m; Diameter of the tube (12) approx. 50-100 mm; Diameter of the exit end of the waveguide section (18) approx. 100-200 mm.

Landscapes

  • Non-Reversible Transmitting Devices (AREA)
  • Microwave Tubes (AREA)
  • Waveguide Connection Structure (AREA)
  • Waveguides (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

Die beschriebene fluiddichte Kopplungsvorrichtung für Mikrowellen­strahlung hoher Energie enthält ein rohrförmiges dielektrisches, Fenster (12), das mit einem Ende eines die Mikrowellenstrahlung einspei­senden Hohlleiters (14) dicht verbunden ist und eine Fortsetzung dieses Hohlleiters bildet. Das andere Ende des das Fenster bildenden Rohres (12) ist durch einen näherungsweise konischen Reflektor (16) dicht verschlossen. Das das Fenster bildende Rohr (12) ist außen von einem becherförmigen Hohlleiterabschnitt (18) umgeben. Die reflek­tierende Oberfläche (26) des Reflektors (16) sowie die reflektieren­de Innenfläche (24) des becherförmigen Hohlleiterabschnitts (18) sind so geformt, daß die aus dem Hohlleiter (14) austretende Mikrowellen­strahlung durch das rohrförmige Fenster in den becherförmigen Hohl­leiterabschnitt (18) sowie von diesem zum offenen Ende (20) dieses Ab­schnittes derart reflektiert wird, daß eine Eingangs-Mode vom Typ TEmn in sich selbst oder eine wohldefinierte Nachbarmode TEʹmn über­geführt, weitere Nebenmoden zu einem Minimum gemacht und zugleich auch rücklaufende Wellen minimiert werden. Infolge der zylindrischen Form ergibt sich eine um eine bis zwei Größenordnungen größere Fen­sterfläche als bei den bekannten planen Fenstern und damit eine ent­sprechend geringere Flächenbelastung, so daß auch sehr hohe Mikrowel­lenleistungen übertragen werden können.

Figure imgaf001
The described fluid-tight coupling device for high-energy microwave radiation contains a tubular dielectric window (12) which is tightly connected to one end of a waveguide (14) feeding the microwave radiation and forms a continuation of this waveguide. The other end of the tube (12) forming the window is sealed by an approximately conical reflector (16). The tube (12) forming the window is surrounded on the outside by a cup-shaped waveguide section (18). The reflecting surface (26) of the reflector (16) and the reflecting inner surface (24) of the cup-shaped waveguide section (18) are shaped such that the microwave radiation emerging from the waveguide (14) through the tubular window into the cup-shaped waveguide section (18) and from this to the open end (20) of this section is reflected such that an input mode of the type TE mn is converted into itself or a well-defined neighboring mode TE Nachbar mn , further secondary modes are made to a minimum and at the same time return waves are minimized. As a result of the cylindrical shape, the window area is one to two orders of magnitude larger than in the known planar windows and thus a correspondingly lower area load, so that very high microwave powers can also be transmitted.
Figure imgaf001

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine fluiddichte Auskoppelvor­richtung für Mikrowellenstrahlung hoher Energie mit einem Hohllei­ter, der ein Einspeisungsende, das mit einer Mikrowellenquelle koppelbar ist, und ein Auskoppelende, das mit einem dielektrischen, für die Mikrowellenstrahlung durchlässigen Fenster fluiddicht verschlossen ist, aufweist.The present invention relates to a fluid-tight coupling-out device for high-energy microwave radiation with a waveguide which has a feed end which can be coupled to a microwave source and a coupling-out end which is closed in a fluid-tight manner by a dielectric window which is permeable to the microwave radiation.

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 Mikrowellenlei­stungen, z.B. im Megawattbereich, bei höheren Frequenzen (z. B. oberhalb einiger 10 GHz, z. B. zwischen 60 und 100 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 Betriebsweise ist aber mit erheblichen Nachteilen und größten Problemen verbunden.Vacuum-tight or more generally fluid-tight coupling devices (“microwave windows”) are required for coupling microwaves from a microwave source and for coupling microwaves from a gas-filled waveguide into a vacuum vessel and similar applications. For extremely high microwave powers, e.g. in the megawatt range, at higher frequencies (e.g. above a few 10 GHz, e.g. between 60 and 100 GHz, and longer pulse lengths (e.g. several seconds to continuous wave), such as can be generated with gyrotrons or free electron lasers "There are power densities and thermal loads that can no longer be controlled with the known single or multi-pane windows. For special applications, for example the high-frequency heating of a plasma in fusion research, windowless operation of the high-frequency source is discussed. Such a mode of operation is associated with considerable disadvantages and greatest problems.

Aus DE-A-29 07 808 ist eine vakuumdichte, hochfrequenzdurchlässige Fensteranordnung zwischen einer eingangsseitigen und einer ausgangsseitigen Koaxialleitung bekannt, bei der zwischen der eingangsseitigen und der ausgangsseitigen Koaxialleitung ein keramischer Hohlzylinder angeordnet ist, der den Innenleiter der eingangsseitigen Koaxialleitung im Bereich des Überganges auf die ausgangsseitige Koaxialleitung als Fortsetzung des Außenleiters der eingangsseitigen Koaxialleitung umgibt. Zur Anpassung der eingangsseitigen Koaxialleitung an die ausgangsseitige Koaxialleitung sind im Bereich der Fensteranordnung Anpaßelemente vorgesehen, z. B. ein ringförmiges Anpaßelement, welches den keramischen Hohlzylinder mit Abstand umgibt und an der Innenseite des Innenleiters der ausgangsseitigen Koaxialleitung angebracht ist. Für Hohlleiter, die keinen Innenleiter enthalten, sind diese Anpaßelemente nicht geeignet.From DE-A-29 07 808 a vacuum-tight, radio-frequency-permeable window arrangement between an input-side and an output-side coaxial line is known, in which a ceramic hollow cylinder is arranged between the input-side and the output-side coaxial line, which is the inner conductor of the input-side coaxial line in the area of the transition to surrounds the output-side coaxial line as a continuation of the outer conductor of the input-side coaxial line. To adapt the input-side coaxial line to the output side Coaxial cables are provided in the area of the window arrangement, e.g. B. an annular adapter, which surrounds the ceramic hollow cylinder at a distance and is attached to the inside of the inner conductor of the output-side coaxial line. These adapter elements are not suitable for waveguides that do not contain an inner conductor.

Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe, eine fluiddichte Kopplungsvorrichtung für Mikrowellen-Hohlleiter anzugeben, die sich auch für sehr hohe Hochfrequenzdurchgangsleistungen sowie länger dauernde Belastungen eignet und eine einwandfreie Modenübertragung gewährleistet, dadurch, daß das Fenster die Form eines Rohres hat, das eine Fortsetzung des Hohlleiters bildet, am einen Ende mit dessen Auskoppelende dicht verbunden ist und am anderen Ende durch einen in erster Näherung kegelförmigen Mikrowellenreflektor dicht verschlossen ist, der die aus den ihm gegenüberliegenden Auskoppelende des Hohlleiters axial austretende Mikrowellenstrahlung nach der Seite durch das rohrför­mige Fenster reflektiert, und daß das Fenster mit einem näherungs­weise becherförmigen Hohlleiterabschnitt 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 austritt.The present invention solves the problem of specifying a fluid-tight coupling device for microwave waveguides, which is also suitable for very high high-frequency throughputs and long-term loads and ensures flawless mode transmission, in that the window has the shape of a tube that continues the waveguide forms, is tightly connected at one end to the coupling-out end and is sealed at the other end by a first approximation conical microwave reflector, which reflects the microwave radiation emerging axially from the coupling-out end of the waveguide opposite it to the side through the tubular window, and that Window is surrounded by an approximately cup-shaped waveguide section which reflects the microwave radiation falling through the window essentially in the direction in which the microwave radiation emerges from the coupling-out end of the waveguide.

Die Kopplungsvorrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht es, die anfallende HF-Verlustleistung von typisch 1 bis 2% der HF-Durchgangsleistung durch den wenigstens annähernd konischen Reflektor relativ gleichmäßig auf die Fensterfläche zu verteilen, die typischerweise um eine bis zwei Größenordnungen größer ist als bei den bekannten Mikrowellenfenstern. Durch die zylin­drische 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.The coupling device according to the invention makes it possible to distribute the resulting RF power loss of typically 1 to 2% of the RF transmission power through the at least approximately conical reflector relatively evenly over the window area, which is typically one to two orders of magnitude larger than in the known ones Microwave windows. The cylindrical shape of the actual window also results in a higher mechanical strength, so that even with larger cylinder diameters, very small wall thicknesses can be used, whereby the absorption and thus the power loss are reduced accordingly.

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.With an RF throughput of 1 to 2 MW, an average area load of 3 to 4 watts / cm² can be achieved, which can be easily dissipated by a forced air or gas flow.

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.For even higher throughputs in the order of 10 to 20 MW, the window can be externally coated with a suitable, low-damping coolant, e.g. B. cool a suitable oil, especially silicone oils or petroleum, which can be pumped around with a free surface (vertical position of the input waveguide) if necessary.

Die Kopplungsvorrichtung gemäß der Erfindung ist besonders, jedoch nicht ausschließlich geeignet für Höchfrequenzquellen mit axialsymmetrischer Moden-Emission TEon (z. B. Gyrotrons). Bei nichtaxialsymmetrischen Moden (z. B. whispering gallery etc.) kann durch Rotation (zirkular polarisierte Emission) eine gleichmäßige Belastung der Fensterfläche erreicht werden.The coupling device according to the invention is particularly, but not exclusively, suitable for high-frequency sources with axially symmetric mode emission TE on (eg gyrotrons). In non-axially symmetric modes (e.g. whispering gallery etc.) rotation (circularly polarized emission) can evenly load the window surface.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, in denen die Figuren 1 bis 4 etwas schematisierte Axialschnitte von vier verschiedenen Ausführungsformen der Kopplungsvorrichtung (Mikrowel­lenfensteranordnung) gemäß der Erfindung zeigen. Alle dargestellten Ausführungsformen sind rotationssymmetrisch.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings, in which FIGS. 1 to 4 show somewhat schematic axial sections of four different embodiments of the coupling device (microwave window arrangement) according to the invention. All of the illustrated embodiments are rotationally symmetrical.

Die in Fig. 1 dargestellte Mikrowellenfensteranordnung (10) enthält ein zylindrisches Rohr (12) aus einem dielektrischen, möglichst verlustarmen, mikrowellendurchlässigen Material, wie z. B. 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 Freielektronenlasers 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.The microwave window arrangement (10) shown in Fig. 1 contains a cylindrical tube (12) made of a dielectric, low-loss, microwave-permeable material, such as. B. high-frequency ceramic, Al₂O₃, SiO₂ or quartz glass. The tube (10) forms an aligned extension of a waveguide (14) which has a circular cross section and can form the output waveguide of a microwave source, for example a gyrotron or a free electron laser. One end of the dielectric tube (12) is vacuum-tight with the end of the waveguide (14) connected. At the other end of the tube (12), a reflector (16) projecting into the interior of the tube and having a first approximation is fused in a vacuum-tight manner. At the end of the waveguide (14) connected to the tube (12) there is also a cup-shaped waveguide section (18) on the outside, which surrounds the tube (12) at a distance, extends beyond its end, and an open end facing away from the waveguide (14) (20) has z. B. with a waveguide (22) enlarged cross section, which leads to a consumer for the microwave power, connected or can act as a type of horn.

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 f₁(z) verläuft, wobei z die Axialrichtung bedeutet. Die Innenwand (24) hat z. B. einen etwa kalottenförmigen Teil angrenzend an den Hohlleiter (14), anschließend einen kurzen, annähernd zylindrischen Teil und schließlich einen sich gemäß einer stetigen Kurve erweiternden Teil, der ein achsparalleles Ende hat. 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 f₂(z) verläuft. Die Funktionen f₁(z) und f₂(z) werden so gewählt, daß die vom Hohlleiter (14) mit einer Mode des Typs TEmn auf die Oberfläche (26) des Reflektors (16) auftreffende Mikrowellenstrahlung nach Durchgang durch das als eigentliches Fenster wirkende Rohr (12) an der Oberfläche (24) des Hohlleiterab­schnittes (18) in sich selbst oder eine wohldefinierte Nachbar-Mode (TEʹmn) übergeführt wird, weitere Nebenmoden zu einem Minimum gemacht und zugleich auch rücklaufende Wellen minimiert werden. Die Fensterstruktur gemäß Fig. 1 eignet sich für TEon-Moden sowie (gegebenenfalls rotierende) TEmn-Moden mit m größer als 0. Eine erste Bestimmung der Funktionen f₁(z) und f₂(z) kann mit Hilfe lichtoptischer Reflexionsversuche ermittelt werden.The metal waveguide section (18) has a polished, reflective, approximately tulip-shaped inner wall (24) which runs in the area opposite the tube (12) in cross section according to a function f 1 (z), where z is the axial direction. The inner wall (24) z. B. an approximately dome-shaped part adjacent to the waveguide (14), then a short, approximately cylindrical part and finally an expanding part according to a continuous curve, which has an axially parallel end. The reflector (16) made of metal or ceramic has a reflective, smooth inner surface (26) which tapers in the direction of the waveguide (14) and is concave from the axis to the outside in accordance with a second function f₂ (z). The functions f 1 (z) and f 2 (z) are chosen so that the microwave radiation incident on the surface (26) of the reflector (16) from the waveguide (14) with a mode of the type TE mn after passing through the actual window Tube (12) on the surface (24) of the waveguide section (18) is converted into itself or a well-defined neighboring mode (TEʹ mn ), further secondary modes are made to a minimum and at the same time returning waves are minimized. 1 is suitable for TE on modes and (possibly rotating) TE mn modes with m greater than 0. A first determination of the functions f 1 (z) and f 2 (z) can be determined with the aid of light-optical reflection tests.

Zur weiteren Optimierung kann sich ein Variationsverfahren, 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.A variation method, e.g. connect using finite elements. The optimization can be carried out and checked with the aid of a suitable mode analyzer (k spectrometer) with regard to reflections and interference mode generation.

Die Mikrowellenfensteranordnung gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der gemäß Fig. 1 vor allem dadurch, daß der zur Fenster­struktur führende Hohlleiter (114) einen Erweiterungsabschnitt (115) aufweist, dessen Durchmesser stetig zunimmt und dessen Innenwand entsprechend einer Funktion f₃(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 fʹ₂(z) definiert ist.The microwave window arrangement according to FIG. 2 differs from that according to FIG. 1 mainly in that the waveguide (114) leading to the window structure has an extension section (115), the diameter of which continuously increases and the inner wall of which corresponds to a function f 3 (z). The end of the widened section (115) is tightly connected to a ceramic tube (112) serving as a window and a cup-shaped section (118) which surrounds the ceramic tube at a distance. The tube (112) here has a larger diameter than the original incoming waveguide (114). At the end facing away from the waveguide (114), a reflector (116) of the type explained with reference to FIG. 1 is again tightly attached, the surface of which is defined by a function fʹ₂ (z).

Die Funktion fʹ₁(z) der reflektierenden Fläche des becherförmigen Hohlleiterabschnitts (118) und die Funktion fʹ₂(z) des Reflektors (116) sind so gewählt, wie es anhand von Fig. 1 für die Funktionen f₁(z) und f₂(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 f₃(z) wird in die Optimierung der Funktionen fʹ₁(z) und fʹ₂(z) einbezogen.The function fʹ₁ (z) of the reflecting surface of the cup-shaped waveguide section (118) and the function fʹ₂ (z) of the reflector (116) are selected as it is with reference to FIG. 1 for the functions f₁ (z) and f₂ (z) was explained. The enlargement (115) and the larger diameter of the tube (112) that is made possible thereby enable a reduction in the overall length of the microwave window arrangement, since a window area corresponding to the enlarged diameter is available per unit length. The function f₃ (z) is included in the optimization of the functions fʹ₁ (z) and fʹ₂ (z).

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 Durch­gangsleistungen von 1 bis 2 MW.The embodiment according to FIG. 3 essentially corresponds to that according to FIG. 1 with the exception that the cup-shaped waveguide section (18) with connections (28) or (30) for introducing or discharging a gas for cooling the tube (12) is provided. This embodiment is suitable, for example, for throughputs of 1 to 2 MW.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist für extrem hohe Durchgangslei­stungen, 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 Flüssig­keitsoberfläche (38) bilden kann und in einem nicht dargestellten Kühlkreislauf umgewälzt wird. Als Kühlflüssigkeit eignet sich zum Beispiel reinstes Petroleum.The embodiment according to Fig. 4 is for extremely high throughputs, e.g. suitable in the order of 10 MW and more. The window arrangement is operated with a vertical axis and the waveguide section (18) is provided with connections (32, 34) for the inlet or outlet of a low-damping dielectric cooling liquid (36) which can form a free liquid surface (38) and not in one cooling circuit shown is circulated. Purest petroleum, for example, is suitable as the cooling liquid.

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.Typical dimensions for frequencies from approx. 60 to 100 GHz are:
Axial length of the tube (12) approx. 0.5 - 1 m;
Diameter of the tube (12) approx. 50-100 mm;
Diameter of the exit end of the waveguide section (18) approx. 100-200 mm.

Claims (7)

1. Fluiddichte Kopplungsvorrichtung für Mikrowellenstrahlung hoher Energie, mit einem Hohlleiter, der ein Einspeisungsende mit einer Mikrowellenquelle koppelbar ist, und ein Auskoppelende, das mit einem dielektrischen, für die Mikrowellenstrahlung durchlässigen Fenster fluiddicht verschlossen ist, aufweist, 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 verschlossen 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.1.Fluid-tight coupling device for high-energy microwave radiation, having a waveguide which can be coupled with a feed end to a microwave source, and a coupling-out end which is closed in a fluid-tight manner with a dielectric window which is permeable to the microwave radiation, characterized in that the window (12 ) has the shape of a tube which forms a continuation of the waveguide (14), is tightly connected at one end to its coupling-out end and is sealed at the other end by a microwave reflector (16) which is conical in a first approximation and which seals the one from the opposite end Outcoupling end of the waveguide (14) axially emerging microwave radiation is reflected to the side through the tubular window (12) and that the window (12) is surrounded by an approximately cup-shaped waveguide section (18) which essentially blocks the microwave radiation falling through the window onto it reflects the direction in which d ie microwave radiation emerges from the coupling-out end of the waveguide (14). 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.2. Coupling device according to claim 1, characterized in that the reflector (16) has the shape of a tapering in the direction of the coupling end of the waveguide (14) rotating body, the reflecting surface (26) in axial section between the tip and the edge of the waveguide (14) is concave. 3. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­net, daß der das rohrförmige Fenster (12) umgebende Hohlleiterab­schnitt (18) eine etwa tulpenförmige reflektierende Innenfläche (24) hat.3. Coupling device according to claim 1 or 2, characterized in that the tubular window (12) surrounding the waveguide section (18) has an approximately tulip-shaped reflecting inner surface (24). 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).4. Coupling device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the coupling end (115) of the waveguide (114) has a cross-section widening in the direction of propagation of the microwaves and that the tubular window (112) has a correspondingly large diameter (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).5. Coupling device according to one of the preceding claims, characterized by a device (28, 32) for supplying a cooling fluid to the outside of the tubular window (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.6. Coupling device according to claim 5, characterized in that the tubular window (12) surrounding the waveguide section (18) is provided with a feed line (32) and a discharge line (34) for a low-damping liquid coolant. 7. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Fenster (12) und der es umgebende Hohlleiterab­schnitt (18) mit im wesentlichen senkrechter Achse angeordnet sind und die Kühlflüssigkeit im Hohlleiterabschnitt (18) eine freie Flüssigkeitsoberfläche (30) bildet (Fig. 4).7. Coupling device according to claim 6, characterized in that the tubular window (12) and the surrounding waveguide section (18) are arranged with a substantially vertical axis and the cooling liquid in the waveguide section (18) forms a free liquid surface (30) (Fig. 4).
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