TWI403020B - 可模式選擇之磁旋管之作用結構 - Google Patents

Description

可模式選擇之磁旋管之作用結構

本發明係有關一種磁旋管之作用結構，特別是一種可模式選擇之磁旋管之作用結構。

為使磁旋管(gyrotron)提供赫兆頻率電磁波(terahertz-wave)輻射，並有超高輸出功率，需以高次模(high-order mode)取代基模(fundamental mode)成為磁旋管之操作模式(operating mode)，但因為相鄰橫向模式(transverse mode)之截止頻率相近，會有嚴重的橫向模式競爭(mode competition)。

以圖1說明在調變磁旋管操作頻率時，操作模式可能遇到之競爭模式。圖1為頻率f-傳播常數k_z 關係圖，曲線表示磁旋管波導結構中存在之不同模式，斜線為此波導結構中一次(s=1)與二次(s=2)諧波迴旋之電子束-電磁波共振線(fundamental and second cyclotron harmonic beam-wave resonance lines)。震盪發生於圖中之模式曲線與電子束-電磁波共振線交點處。舉例來說，以高次模例如TE₀₁ 模為此波導結構之操作模式，圖中以實線表示。因此，圖中s=1電子束-電磁波共振線與TE₀₁ 模曲線交點處為所欲達成之震盪。但s=1電子束-電磁波共振線與其它模式(例如TE₂₁ 模、TE₃₁ 模)之曲線均有交點，因此於電子束之操作區間內會有TE₂₁ 模及TE₃₁ 模之寄生震盪產生，造成與操作模式競爭。另外，當磁旋管藉由調整磁場，而使圖中之s=1電子束-電磁波共振線產生上下平移之效果，因而與TE₀₁ 模曲線於不同頻率產生交點，改變了操作頻率，但同時亦與其他模式產生交點，產生新的競爭模式，例如TE₄₁ 模。

因為TE₀₁ 模為圓形電場模式，一習知技術利用設置於圓形波導(circular waveguide)或共振腔管壁之凹槽(groove)，使圓形電場模式環繞波導中心軸之管壁表面電流不受影響，而與其競爭之模式因具有軸向表面電流，在通過凹槽時明顯地受到影響，而阻饒競爭模式的傳遞。

習知技術因磁旋管之超高輸出功率可能會燒毀吸波材料(lossy material)，而沒有設置吸波材料或設置低損耗之材料於凹槽上，主要僅利用凹槽將競爭模式電磁波多次反射，以分散競爭模式，但如此競爭模式仍有可能與操作模式競爭，很難提供頻寬較寬且可連續調變之操作頻段，並且習知技術可能為減少競爭模式的產生，而縮短其作用段，給予較小之作用段輸出功率優化空間。

本發明為解決上述之問題，提供一種可模式選擇之磁旋管之作用結構，其對於競爭模式之功率損耗之程度大於操作模式，進而抑制競爭模式之生成，達成模式選擇之效果。

本發明一實施例之可模式選擇之磁旋管之作用結構包括複數個金屬導管，其中每一金屬導管之內壁形成一波導，相鄰金屬導管之波導彼此對應設置，且相鄰之金屬導管間形成一間隙，間隙包含一第一界面與一第二界面，使包含一操作模式與一競爭模式之一電磁波於通過間隙時，競爭模式分別於第一界面及第二界面部分反射、部分透射及吸收，使競爭模式之功率損耗大於操作模式。

以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

圖2所示，為本發明一實施例之部分結構之剖面側視圖，本發明可模式選擇之磁旋管之作用結構包含：複數個金屬導管，圖中顯示有金屬導管100、120，其中每一金屬導管100、120之內壁形成一波導101、121，相鄰金屬導管100、120之波導101、121彼此對應設置，且相鄰之金屬導管100、120間形成一間隙111，間隙111包含一第一界面AB與一第二界面CD，於圖2所示之實施例中，第一界面為金屬導管100、120之端面之內緣朝向間隙111的延伸面，第二界面為金屬導管100、120之端面之外緣朝向間隙111的延伸面。金屬導管100、120之內壁之橫截面可為但不限於圓形，亦即波導101、121為圓形波導。

請參閱圖2，於此實施例中，當任一模式之電磁波W₁ 入射間隙111時，會有部分穿透間隙111，於圖中以W₂ 表示、部分被間隙111反射，於圖中以W₃ 表示，及部分與間隙111耦合而成為耦合電磁波，於圖中以CW表示。耦合電磁波CW₁ 因入射電磁波傳遞之不連續面，即上述之第二界面CD，部分穿透第二界面CD，部分反射為耦合電磁波CW₂ ，並入射第一界面AB，為耦合電磁波CW₃ ，耦合電磁波CW₃ 並於第一界面AB部分穿透，部分反射，圖中僅顯示反射部分之耦合電磁波CW₄ ，而耦合電磁波CW₄ 再繼續入射第二界面CD，如此在第一界面AB及第二界面CD之間多重反射，使間隙111內之耦合電磁波CW₁ ~CW₄ 越來越少。

接續上述說明，請參閱圖2及圖3。因此，對於任一模式之電磁波W₁ 入射間隙111，可定義一功率損耗因素F _loss 如式(1)所示：

其中P _w1 、P _w2 與P _w3 分別為電磁波W₁ 、W₂ 與W₃ 之功率。圖3所示，為不同模式電磁波經過間隙111時，其功率損耗因素F _loss 與其頻率f 之關係，其中橫軸為常態化之電磁波頻率(f/f _c )，其中f _c 為模式各自之截止頻率，縱軸為功率損耗因素F _loss ，且以實線表示之模式對應左邊縱軸之尺度，虛線表示之模式對應右邊縱軸之尺度。如圖3所示，不同模式之電磁波於間隙111之功率損耗不同，因此可利用間隙111對於操作模式之損耗較小，而對於競爭模式之損耗較大，使操作模式脫穎而出，並抑制競爭模式之生成，以達成模式選擇。

舉例來說，當圖2中之波導101、121為圓形波導時，間隙111對於圓形電場模式如TE₀₁ 、TE₀₂ 模之損耗比對於TE₂₁ 、TE₃₁ 及TE₄₁ 模之損耗低了兩個數量級，如圖3所示，因此間隙111對於圓形電場模式TE_0n 之選擇效果較好。主要係因為圓形電場模式TE_0n 電磁波之表面電流係環繞金屬導管之內壁，(圖2中以表示方向為穿出紙面，以表示方向為進入紙面)，通過間隙111時幾乎不受影響，而其它模式如TE₂₁ 、TE₃₁ 及TE₄₁ 模之電磁波因具有軸向表面電流(圖中未示)，則會大受影響。雖然本實施例對於圓形電場模式有較好之選擇效果，但本發明並不限於使用圓形電場模式TE_0n 為操作模式，只要功率損耗因素F _loss 相對較低者均可作為操作模式。並且，於一實施例中，金屬導管100、120面向間隙111之端面之距離ΔL (即間隙111之大小)設計小於操作模式電磁波最低頻率之半波長，使間隙111不會將操作模式電磁波從第二界面CD傳遞出去，而減少間隙111對操作模式之損耗。

接續上述，另外，圖2中耦合電磁波CW在第一界面AB與第二界面CD間多重反射，使間隙111與開放式共振器(open resonator)之作用相似。當耦合電磁波CW之頻率剛好為開放式共振器之共振頻率(resonance frequency)時，耦合電磁波CW之功率損耗因素F _loss 為最高。如圖3所示，模式TE₂₁ 、TE₃₁ 及TE₄₁ 之最高功率損耗因素F _loss 為0.4，若這些模式為競爭模式，即有40%的競爭模式電磁波功率被一個間隙111吸收。決定間隙111之共振頻率其中之一的因素是圖2中第一界面AB與第二界面CD間的距離d。因此，可以藉由控制第一界面AB與第二界面CD間的距離d形成數個不同共振頻率之間隙之組合，而對於不同競爭模式分別有較好之吸收效果，並且亦可針對前述因改變磁旋管操作頻率而生成之競爭模式，設計吸收效果較好之間隙，使磁旋管之操作頻率調變範圍變寬。

於圖2所示之實施例中，金屬導管100、120面向間隙111之端面均為垂直平面。於其它實施例中，面向間隙111之二端面可一為與金屬導管100、120之中心軸垂直之垂直平面，另一為非垂直平面，例如斜面。於不同實施例中，面向間隙111之二端面可為規則面或非規則面。需注意者，金屬導管100、120面向間隙111之端面可為前述實施例之組合。

圖4所示為本發明另一實施例之剖面側視圖。於此實施例中，可模式選擇之磁旋管之作用結構更包含至少一金屬封閉元件，圖中僅以金屬封閉元件112作說明。金屬封閉元件112係設置於金屬導管100、120面向間隙111之端面間以封閉間隙111。所以，此實施例係以金屬封閉元件112面向金屬導管100、120之中心軸之表面作為第二界面CD。於一實施例中，可模式選擇之磁旋管之作用結構更包含一吸波材料114以吸收競爭模式電磁波，吸波材料114之設置方式可為但不限於於塗佈於金屬導管100、120面向間隙111之端面及/或第二界面CD上；或者填充金屬導管100、120以形成面向間隙111之端面，及/或填充金屬封閉元件112以形成第二界面CD。如前所述，當競爭模式之損耗程度大於操作模式時，操作模式較易脫穎而出，而競爭模式之生成則被抑制，因此，因吸收高能量之競爭模式而燒毀吸波材料114之可能性很小。

請參閱圖5a與圖5b，圖5a所示為本發明一實施例之分解圖。於本實施例中，可模式選擇之磁旋管之作用結構更包含複數個連接元件116，連接於金屬導管100、120相鄰端面上之連接洞104b、124a。於一實施例中，更可於二端面102b與122a上塗佈吸波材料或者將吸波材料填充於金屬導管100、120以形成端面102b、122a，吸波材料可為但不限於Aquadaq。需說明的是，於一實施例中，連接洞104b、124a之位置係經過設計，使連接元件116對耦合電磁波之傳遞影響最小。於不同實施例中，亦可使連接元件116對耦合電磁波之傳遞影響最大。圖5b所示為針對不同的競爭模式而設計出不同連接位置之金屬導管。非用以限制本發明之一實施例中，金屬導管之內部波導為圓形波導，且設定TE₀₁ 模式為操作模式，其主要之競爭模式為TE₂₁ 模式及TE₃₁ 模式，而圖5b中之4連接栓(4pin)界面與6連接栓(6pin)界面之設計分別係針對TE₂₁ 模式及TE₃₁ 模式。

於一實施例中，將間隙及金屬導管內之波導保持真空之機制如圖5a所示，金屬導管100、120之端面上分別設有凹槽106b、126a以容設一氣密元件118可為但不限於O形環以將金屬導管100、120內之波導101、121以及間隙111保持氣密；於另一實施例中，氣密元件118亦可設置於金屬導管100、120之外壁上包覆間隙111；又或者可於其它實施例中，以一氣密外管封裝金屬導管。

請參閱圖6a及圖6b，圖6a所示，為本發明可模式選擇之磁旋管之作用結構一實施例之組合後外觀示意圖，於此實施例中，金屬導管內部之波導為圓形波導，而圖6b為組合後之波導半徑r _w 隨作用結構長度Z 之變化圖。如圖6b所示，為優化作用結構之輸出功率效率，波導半徑r _w 隨結構長度Z 漸變，並且因為加入具有模式選擇功能之間隙，即圖中虛線所示位置，可使作用結構之長度Z 增長，而不造成競爭模式增加，因此增進作用段輸出效率之優化。

接續上述，並且為增進本發明操作頻率寬頻連續調變之功能，可以增加間隙之數目。如圖6b所示，一實施例有複數個4pin界面及6pin界面之間隙設置於磁旋管之作用結構，並可以組合不同共振頻率之間隙，針對不同頻段之競爭模式電磁波有較好之損耗效果。例如於圖6b所示之實施例中，因金屬導管內部之波導半徑r _w 漸變，使金屬導管之管壁厚度改變，即間隙之第一界面與第二界面間之距離改變，形成不同共振頻率之間隙。於本實施例中，金屬導管之外形為圓柱體，但金屬導管之形狀可為任意之形狀如圓錐體、長方體等。

本發明之可模式選擇之磁旋管之作用結構，可應用於磁旋單腔管(gyromonotron)、磁旋速調管(gyroklystron)、磁旋行波管放大器(gyrotron traveling-wave tube amplifier)或磁旋反波震盪器(gyrotron backward-wave oscillator)。

總合上述，本發明之可模式選擇之磁旋管之作用結構包含複數個金屬導管，其中每一金屬導管之內壁形成一波導，相鄰金屬導管之波導彼此對應設置，且相鄰金屬導管間具有一間隙，間隙具有一第一界面與第二界面，使一電磁波於通過間隙時，與間隙耦合部分之耦合電磁波分別於第一界面與第二界面部分反射、部分穿透及/或被吸收，而使電磁波中競爭模式之損耗程度大於操作模式。另外，可針對一競爭模式設計間隙之第一界面與第二界面間之距離，使此競爭模式於間隙達成共振，以利此競爭模式之功率損耗。並且，可組合不同間隙針對不同競爭模式有較佳之損耗效果，使磁旋管之操作頻率可有較寬之連續調變範圍，且作用段之長度可延長，增進輸出功率之優化。

以上所述之實施例僅是為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

100、120．．．金屬導管

102b、122a．．．金屬導管端面

104b、124a．．．連接洞

106b、126a．．．凹槽

101、121．．．波導

111．．．間隙

112．．．金屬封閉元件

114．．．吸波材料

116．．．連接元件

118．．．氣密元件

AB．．．第一界面

CD．．．第二界面

d．．．AB與CD間之距離

ΔL ．．．間隙之距離

W₁ 、W₂ 、W₃ ．．．電磁波

CW₁ 、CW₂ 、CW₃ 、CW₄ ．．．耦合電磁波

f ．．．頻率

k _z ．．．傳波常數

f _c ．．．截止頻率

F _loss ．．．功率損耗因素

r _w ．．．波導半徑

Z ．．．作用結構之長度

圖1為頻率-傳播常數關係圖說明調變磁旋管操作頻率時，操作模式可能遇到之競爭模式。

圖2所示為本發明一實施例之部分結構之剖面側視圖。

圖3所示為本發明一實施例不同模式電磁波功率損耗因素與頻率之關係圖。

圖4所示為本發明另一實施例之部分結構之剖面側視圖。

圖5a所示為本發明一實施例之分解圖。

圖5b所示為不同連接位置之金屬導管。

圖6a所示為本發明一實施例之組合後外視圖。

圖6b所示為本發明一實施例組合後波導半徑隨作用結構長度變化之示意圖。

100、120．．．金屬導管

101、121．．．波導

111．．．間隙

W₁ 、W₂ 、W₃ ．．．電磁波

CW₁ 、CW₂ 、CW₃ 、CW₄ ．．．耦合電磁波

AB．．．第一界面

CD．．．第二界面

d．．．AB與CD間之距離

Claims (19)

1. 一種可模式選擇之磁旋管之作用結構，其包含：複數個金屬導管，其中每一該些金屬導管之內壁形成一波導，相鄰該些金屬導管之波導彼此對應設置，且相鄰之該些金屬導管間形成一間隙，該間隙包含一第一界面與一第二界面，使包含一操作模式與一競爭模式之一電磁波於通過該間隙時，該競爭模式分別於該第一界面及該第二界面部分反射、部分透射及被吸收，且該競爭模式之功率損耗大於該操作模式。
2. 如請求項1所述之可模式選擇之磁旋管之作用結構，其中，該電磁波包含複數個不同頻率分佈之該競爭模式，且不同之該間隙之該第一界面與該第二界面間之距離不同，以使相對應之該些競爭模式形成較大損耗。
3. 如請求項1所述之可模式選擇之磁旋管之作用結構，其中，該第一界面係該金屬導管之端面之內緣朝向該間隙的延伸面。
4. 如請求項1所述之可模式選擇之磁旋管之作用結構，其中，該第二界面係該金屬導管之端面之外緣朝向該間隙的延伸面。
5. 如請求項1所述之可模式選擇之磁旋管之作用結構，其中，至少一該間隙之該第一界面與該第二界面間之距離使該競爭模式於該間隙之該第一界面與該第二界面間產生共振。
6. 如請求項5所述之可模式選擇之磁旋管之作用結構，更包含至少一金屬封閉元件，該金屬封閉元件係設置於該些金屬導管面向該間隙之端面間以封閉該間隙，該金屬封閉元件面向該些金屬導管之中心軸之表面作為該第二界面。
7. 如請求項6所述之可模式選擇之磁旋管之作用結構，更包含一吸波材料設置於至少一該金屬封閉元件形成之該第二界面上，及與該金屬封閉元件之相鄰該些金屬導管面向該間隙之端面上。
8. 如請求項6所述之可模式選擇之磁旋管之作用結構，更包含一吸波材料填充於至少一該金屬封閉元件以形成該第二界面，及填充於該金屬封閉元 件之相鄰該些金屬導管以形成面向該間隙之端面。
9. 如請求項1所述之可模式選擇之磁旋管之作用結構，其中，任一該些金屬導管面向該間隙之端面為垂直平面或非垂直平面。
10. 如請求項1所述之可模式選擇之磁旋管之作用結構，其中，任一該些金屬導管面向該間隙之端面為規則面或非規則面。
11. 如請求項1所述之可模式選擇之磁旋管之作用結構，其中，該些金屬導管面向該間隙之端面間之距離小於該操作模式之最低頻率之半波長。
12. 如請求項1所述之可模式選擇之磁旋管之作用結構，更包含一吸波材料設置於至少一該金屬導管面向該間隙之端面上。
13. 如請求項1所述之可模式選擇之磁旋管之作用結構，更包含一吸波材料填充於至少一該金屬導管以形成該金屬導管面向該間隙之端面。
14. 如請求項1所述之可模式選擇之磁旋管之作用結構，更包含複數個連接元件，其設置於該些金屬導管面向該間隙之端面，用以連接該些金屬導管。
15. 如請求項14所述之可模式選擇之磁旋管之作用結構，其中該些連接元件設置於對傳遞該競爭模式干擾最小之位置。
16. 如請求項1所述之可模式選擇之磁旋管之作用結構，更包含至少一氣密元件，使該些金屬導管內部之該波導與每一該間隙保持氣密。
17. 如請求項1所述之可模式選擇之磁旋管之作用結構，其中每一該些金屬導管之內壁橫截面為圓形。
18. 如請求項17所述之可模式選擇之磁旋管之作用結構，其中該操作模式為TE_0n 模之圓形電場波。
19. 如請求項1所述之可模式選擇之磁旋管之作用結構，其可應用於磁旋單腔管(gyromonotron)、磁旋速調管(gyroklystron)、磁旋行波管放大器(gyrotron traveling-wave tube amplifier)或磁旋反波震盪器(gyrotron backward-wave oscillator)。