PT84939B

PT84939B - Dispositivo de acoplamento estanque aos fluidos para radiacao de microondas

Info

Publication number: PT84939B
Application number: PT84939A
Authority: PT
Inventors: Muller Gunther; Wilhelm Rolf
Original assignee: Max Planck Gesellschaft
Priority date: 1986-05-27
Filing date: 1987-05-25
Publication date: 1990-02-08
Also published as: US4782314A; DK239087D0; EP0247391A2; EP0247391A3; JPS631201A; DE3617779A1; PT84939A; DK239087A

Description

A presente invenção refere-se a um dispositivo de acoplamento estanque aos fluidos para a radiação de microondas de elevada energia, com um guia de ondas que apresenta uma extremidade de alimentação, susceptível de ser acoplada a uma fonte de microondas, uma extremidade de desacoplamento, que é fechada de maneira estanque aos fluidos por uma janela de material dieléctricc, transparente para a radiação de microondas.

Para o desacoplamento de microondas de uma fonte de microondas, bem como para □ acoplamento de microondas de um guia de ondas cheio de gás para um recipiente de vácuo e outras utilizações semelhantes, são necessários dispositivos de acoplamento (“janelas de microQndas'’) estanques ao vácuo ou em geral estanques aos fluidos. Para potências de microondas extremamente elevadas, por exemplo no domínio dos mega-watts, no caso de

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frequências elevadas (por exemplo acima de algumas dezenas de GHz, por exemplo entre 60 e 100 GHz, e grandes durações dos impulsos (por exemplo de vários segundas até um sinal permanente) , como os que podem ser produzidos por exemplo com girotrões ou laseres de electrões livres, resultam densidades de potência e cargas térmicas que já não podem ser dominadas com as janelas conhecidas com um ou vários discos. Para aplicações especiais, por exemplo no aquecimento por altas frequências de um plasma na pesquisa da fusão, é discutido um funcionamento sem janela da fonte de alta frequência. Um tal modo de funcionamento está no entanto ligado com grandes inconvenientes e os maiores problemas.

Da patente DE-A-29 07 8DB é conhecido um dispositivo de janela estanque ao vácuo e transparente para as altas frequências entre uma linha coaxial do lado da entrada e uma linha coaxial do lado da saida, no qual entre as linhas ccaxiais do lado de entrada e do lado de saida está colocado um cilindro oco de cerâmica que envolve o condutor interior da linha coaxial, do lado da entrada na zona da transição para a linha coaxial do lado da saida, como prolongamento do condutor exterior da linha coaxial do lado da entrada. Para a adaptaçao da linha coaxial do lado da entrada à linha coaxial do lado da saida previram-se elementos de adaptação na zona do dispositivo da janela, por exemplo um elemento de adaptação em forma de anel, que envolve a uma certa distância o cilindro oco de cerâmica e está colocado na face interior do condutor interior da linha coaxial do lado da saida. Para guias de onda que não contêm qualquer condutor interior, estes elementos de adaptação não são apropriados.

A presente invenção resolve o problema de proporcionar um dispositivo de acoplamento estanque aos fluidos para guias de ondas para microondas que é apropriado também para

A Λ potências de transferencia de altas frequências muito elevadas, «ISW*. ·.' ^,r' bem como para cargas de grande duraçao e que assegura uma transmissão correcta dos modos, dando a janela a forma de um tubo, que forma um prolongamento do guia de onda, ligando-a numa das extremidades, de maneira estanque, ã sua extremidade de desacoplamento e fechando-a na outra extremidade por um reflector de microondas, em primeira aproximação cónico, o qual reflecte a radiação de microondas, que sai axialmente da extremidade de desacoplamento do guia de ondas que lhe fica oposta, para o lado pela janela tubular, e envolvendo a janela com uma secção de guia de ondas com a forma aproximada de um cálice, que reflecte a radiação de microondas que, através da janela, nela incide, substancialmente na direcção em que a radiação de microondas sai da extremidade de desacoplamento do guia de ondas.

dispositivo de acoplamento segundo a presente invenção torna possível distribuir de maneira relativamente uniforme pela superfície da janela a potência de perdas de altas frequências que se verifica, de tipicamente 1 a 2 % da potência de transferência de altas frequências, por meio do reflector pelo menos aproximadamente cónico, sendo a referida superfície da janela tipicamente até duas ordens de grandeza maior que no caso das janelas de microondas conhecidas. Devido à forma construtiva cilíndrica da janela propriamente dita obtém-se além disso uma elevada resistência mecânica, de modo que, mesmo no caso de grandes diâmetros do cilindro, é suficiente uma pequena espessura de parede, de modo que se reduz correspondentemente a absorção e portanto a potência de perdas.

No caso de uma potência de transferência de alta frequência de 1 a 2 Mw, pode obter-se uma carga média por unida2 de de área de 3 a 4 W/cm , a qual pode ser sem mais dissipada por meio de uma corrente forçada de ar ou de um gás.

Para potências de transferência ainda maiores, na

- 3 ordem de grandeza de 10 a 20 MW pode arrefecer-se a janela a partir do exterior, com um líquido de refrigeração apropriado sem quantidade apreciável de vapor, por exemplo um óleo apropriado, em especial óleos silicónicos ou petróleo, que pode eventualmente com uma superfície livre (posição vertical do guia de onda de entrada) ser posto em circulação por meio de uma bomba.

dispositivo de acoplamento segundo a presente invenção é particularmente, mas não exclusivamente, apropriado para fontes de altas frequências com emissão de modos TE on simétricos axialmente (por exemplo girotroes). No caso dcs modos; não simétricos axialmente (por exemplo whispering gallery”, etc.) pode obter-se por rotação (emissão polarizada circular) uma carga uniforme da superfície da janela.

A seguir descrevem-se exemplos de realização da presente invenção, com referência aos desenhos anexos, nos quais as fig. 1 a 4 representam de maneira um tanto esquematizada, cortes axiais de quatro formas de realização diferentes do dispositivo de acoplamento (dispositivo de janela de microondas) segundo a presente invenção. Todas as formas de realização representadas tem simetria de rotação.

dispositivo de janela de microondas (12) representado na fig. 1 contém um tubo cilíndrico (12) feito de um material dieléctrico, com perdas o menor possível e transparente para as microondas, como por exemplo de cerâmica para altas frequências, Al^Og, SiC^ ou vidro de quartzo. 0 tubo (10) forma um prolongamento alinhado de um guia de onda (14) com uma secção transversal circular e que pode formar um guia de onda de saida de uma fonte de microondas, por exemplo um girotrão ou de um laser de electrães livres. Uma das extremidades do tubo (12) de material dieléctrico está ligado de maneira estanque ao vácuo

com a extremidade do guia de onda (14). Na outra extremidade do tubo (12) está soldado de maneira estanque ao vácuo um reflector (16) de forma aproximadamente cónica e saliente para o interior do tubo. Na extremidade do guia de onda (14) ligada ao tubo (12) é além disso colocada uma secção de guia de onda (18) exteriormente, em forma de cálice, a qual envolve o tubo (12) a uma certa distancia, sai para além da sua extremidade e tem uma extremidade aberta (20) para o lado oposto ao guia de anda (14), a qual pode estar ligada por exemplo com um guia de onda (22) de maior secção transversal que conduz a um utilizador da potência de microondas ou que pode actuar como uma espécie de radiador de corneta.

A secção de guia de onda metálico (18) tem uma parede interior (24) polida, reflectora, mais ou menos em forma de túlipa que, na zona em que se sobrepoe ao tubo (12), tem uma secção transversal com uma configuração de acordo com uma função f (Z), designando Z a coordenada na direcção axial. A parede interior (24) tem por exemplo uma parte em forma de calote que se encosta ao guia de onda (14), seguindo-se-lhe uma parte aproximadamente cilíndrica, curta, e finalmente uma parte que se alarga sempre curva, que tem uma extremidade paralela ao eixo. 0 reflector de cerâmica ou de metal (16) tem uma superfície interior lisa e reflectora (26) dirigida em ponta no sentido do guia de onda (14) e com uma configuração côncava para for= a partir do eixo, As funções (z) ção de microondas correspondente a uma segunda função e f (z) sao escolhidas ds que é emitida pelo guia de

(z).

modo que a ondas (14) radiacom um modo do tipo TE_mn ε que incide na superfície (26) do reflector (16), depois da passagem pelo tubo (12) que actua como janela propriamente dita é transmitida na superfície (24) da secção de guia de onda (1Θ) ela própria ou um modo vizinho bem definido (TE* ), sendo tornadas mínimas outros madas secundários e senda mn aa mesmo tempo minimizadas também as ondas de retorno. A estru-

tura da janela sequndo a fio. 1 é apropriada para modos TE , J 3 _on bem como para modos TE (eventualmente rotativos) com m maior r _mn <*» que 0. Uma primeira determinação das funções f^ (z) e f^ (z) pode fazer-se com o auxílio de experiências de reflexão óptica da luz.

Para a optimização, pode usar-se a seguir um out ro processo por exemplo a utilização de elementos finitos. A optimização pode fazer-se e verificar-se com o auxílio de um analisador de modos (espectrómetro K), relativamente às reflexões e à geração de modos perturbadores.

dispositivo de janela de microondas segunde a fig. 2 difere do da fig. 1 sobretudo pelo facto de □ guia de ondas (114) que conduz à estrutura da janela apresentar uma secção alargada (115) cujo diâmetro aumenta continuamente e cuja parede interior tem um andamento que corresponde a uma função f^ (z). A extremidade da secção alargada (115) está ligada de maneira estanque a um tubo de cerâmica (112) que funciona como janela e a uma secção (118) em forma de cálice, que envolve o tubo de cerâmica a uma certa distância. D tubo (112) tem aqui portanto um diâmetro maior que □ do guia de onda inicial de entrada (114). Na extremidade oposta ao guia de onda (114) á mais uma vez colocado um reflectcr (116) do tipo descrito em ligaçao com a fig. 1, cuja superfície é definida por uma função f*₂ (z).

A função (z) da superfície reflectora da sec ção de guia de onda em forma de cálice (118) e a função f’ (z) do reflector (116) são escolhidas como se explicou, com referên cia à fig. 1, para as funções (z) e f₂ (z)· C alargamento (115) e o maior diâmetro possível para o tubo (112) tornam possível uma diminuição do comprimento construtivo do dispositivo de janela de microondas, visto que se dispõe de uma área da janela por unidade de comprimento correspondentemente ao aumento do diâmetro. A função f^ (z) é incluída na optimização das funções f’i (z) e f*₂ (z).

A forma de realização segundo a fig. 3 é substancialmente idêntica à da fig. 1 com a excepção ds que a secção de guia de onda em forma de cálice (18) está provida de meios de ligação (28) e (30), respectivamente, para a introdução e a saida de um gás para arrefecer o tubo (12). Esta forma de realização é apropriada por exemplo para potências de transferência de 1 a 2 MW.

A forma de realização segundo a fig. 4 é apropriada para potências de transferência extremamente elevadas, por exemplo na ordem de grandeza de 10 MVJ e mais. 0 dispositivo de janela funciona com o eixo vertical e a secção de guia de onda (18)está provida de ligações (32, 34) para entrada e saida, respectivamente, de um líquido dieléctrico (36) isento praticamente de vapor, que pode formar uma superfície livre do líquido (38) e ser posto em circulação, num circuito não representado. Como líquido de refrigeração é apropriado, por exemplo, petróleo o mais puro possível.

As dimensões típicas para frequências de cerca de 60 a 100 GHz sãos

Comprimento axial do tubo (12): cerca de 0,5 a m;

Diâmetro do tubo (12) : cerca de 50 a 100 mm;

Diâmetro da extremidade de saida da secção de guia de onda (18) ; cerca de 1G0 a 200 mm.

Claims

Dispositivo de acoplamento estanque aos fluidos para radiação de microondas de alta energia, com um guia de onda com uma extremidade de alimentação acoplável a uma fonte de microondas e uma extremidade de desacoplamento que é fechada de maneira estanque aos fluidos com uma janela de material dieléctrico e transparente para a radiação de microondas, carac terizado por a janela (12) ter a forma de um tubo, que forma um prolongamento do guia de ondas (14), estar ligada numa das extremidades de maneira estanque com a sua extremidade de desacoplamento e ser fechada na outra extremidade de maneira estanque por um reflector de microondas (16) de forma aproximadamente cónica, o qual reflecte a radiação de microondas, que sai axialmente da extremidade de desacoplamento do guia de ondas (14) que lhe fica oposta, para □ lado através da janela tubular (12) e por a janela (12) ser envolvida por uma secção de guia de onda (18) com a forma aproximada de um cálice, a qual reflecte a radiação de microondas que através da janela nela incide, substancialmente na direcção em que a radiação de microondas sai da extremidade de desacoplamento do guia de ondas (14).

- 2§ -

Dispositivo de acoplamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o reflector (16) ter a forma de um corpo de revolução que estreita no sentido da extremidade de desacoplamento do guia de onda (14), cuja superfície reflectora (26) é, em secção axial, côncava entre a ponta e o bordo para o lado do guia de onda (14).

- 3? -

Dispositivo de acoplamento de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado por a secção de guia de onda (18) que envolve a janela tubular ter uma superfície reflectora mais ou menos em forma de túlipa.

- 4§ -

Dispositivo de acoplamento de acordo com as reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado por a extremidade de desacoplamento (115) do guia de onda (114) apresentar uma secção transversal que se alarga no sentido da propagação das microondas e por a janela tubular (112) ter um diâmetro com um valor correspondente (fig. 2).

Dispositivo de acoplamento de acordo com uma das reivindicações anteriores, caracterizado por compreender um dispositivo (28, 32) para a introdução de um fluida de refrigeração da face exterior da janela tubular (12).

Dispositivo de acoplamento de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por a secção de guia de onda (18) que envolve a janela tubular (12) estar provida de uma conduta de entrada (32) e uma conduta de saida (34) para um meio de refrigeração líquido praticamente isento de vapor.

- 7§ Dispositivo de acoplamento de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por a janela tubular (12) e a secção de guia de onda (18) que a envolve estarem dispostas com o eixo substancialmente vertical e □ líquido de refrigeração formar na secção de guia de onda (18) uma superfície livre do líquido (38) (fig. 4).

A requerente declara que o primeiro pedido desta patente foi depositado na Repdblica Federal Alemã em 27 de Maio de 1986, sob o nS. P 36 17 779.2.