專(zhuān)利名稱(chēng)：一種回旋管準(zhǔn)光輸出系統(tǒng)的射線(xiàn)表示法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波技術(shù)，特別涉及高功率回旋管毫米波源，是一種回旋管準(zhǔn)光輸出系統(tǒng)的射線(xiàn)表不法。
背景技術(shù)：
回旋管是一類(lèi)以電子回旋脈塞為機(jī)理而發(fā)展起來(lái)的快波器件，其工作機(jī)理可理解為利用電子在磁場(chǎng)中回旋頻率的變化及電子的相對(duì)論效應(yīng)發(fā)生群聚，使電子與同步電磁波相互作用，激發(fā)產(chǎn)生高能微波輻射?；匦艿慕Y(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，在毫米和亞毫米波段能以多種方式產(chǎn)生高脈沖峰值功率與連續(xù)波功率，填補(bǔ)了傳統(tǒng)微波管和激光器在此波段的空白。目前，回旋管已廣泛應(yīng)用于受控?zé)岷司圩兊牡入x子體加熱、高能粒子加速器、毫米波定向能武器、材料處理及等離子體化學(xué)等領(lǐng)域。隨著回旋管向著高頻率、高功率發(fā)展，其工作模式大多采用低損耗的高階腔體模式，最典型的工作模式有TEtln角向?qū)ΨQ(chēng)模、TEmn邊廊模(m > > η且η = I或2)以及TEmn不對(duì)稱(chēng)體模(m >> I且η > 2)。由于腔體內(nèi)高階模式在傳輸過(guò)程中存在嚴(yán)重的衍射和極化損耗，實(shí)際上并不適合于自由空間的傳輸，必須將腔體內(nèi)的高階模式轉(zhuǎn)換為利于傳輸?shù)牡碗A波導(dǎo)模式或自由空間的高斯波束。為了直接將回旋管內(nèi)高階工作模式的復(fù)雜場(chǎng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為線(xiàn)極化的高斯波束，可以由準(zhǔn)光模式變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般而言，準(zhǔn)光模式變換器由一個(gè)終端開(kāi)口的電大尺寸波導(dǎo)輻射器和兩個(gè)曲面反射鏡面系統(tǒng)組合而成(如圖I所示)。圖I中標(biāo)示I為腔體，標(biāo)示2為輻射器，標(biāo)示3為第一鏡面反射器，標(biāo)示4為第二鏡面反射器，標(biāo)示5為輸出窗，標(biāo)示6為微波束，標(biāo)示7為電子束。對(duì)于毫米波或亞毫米波而言，準(zhǔn)光模式變換器無(wú)論是橫向結(jié)構(gòu)尺寸還是縱向結(jié)構(gòu)尺寸都屬于電大尺寸，應(yīng)用高頻模擬仿真軟件對(duì)準(zhǔn)光模式變換器進(jìn)行全三維的高頻模擬計(jì)算時(shí)需要巨大的計(jì)算資源和計(jì)算機(jī)時(shí)，很難有效快捷地指導(dǎo)準(zhǔn)光模式變換器的設(shè)計(jì)工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開(kāi)一種回旋管準(zhǔn)光輸出系統(tǒng)的射線(xiàn)表示法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種回旋管準(zhǔn)光輸出系統(tǒng)的射線(xiàn)表示法，其包括步驟a)確定入射光線(xiàn)角度；b)選擇兩鏡面反射器的曲面形狀；c)將第一鏡面反射器、第二鏡面反射器順序放置于回旋管輻射器的輸出光路上；d)依據(jù)從回旋管輻射器產(chǎn)生的毫米波束與光射線(xiàn)等效的原理，將毫米波束在第一鏡面反射器和第二鏡面反射器上的傳播特性等效為光射線(xiàn)在第一鏡面反射器和第二鏡面反射器上的光線(xiàn)傳播過(guò)程；e)根據(jù)光學(xué)反射定律并用CAD制圖工具軟件，將光射線(xiàn)在第一鏡面反射器和第二鏡面反射器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的反射傳播路徑制圖，清晰地表達(dá)出來(lái)；f)根據(jù)步驟e)的傳播路徑圖，了解和掌握毫米波束在整個(gè)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的傳播路徑，若符合要求，即指導(dǎo)準(zhǔn)光模式變換器反射鏡曲面的設(shè)計(jì)和曲面修正，完成。所述步驟b)中的鏡面 反射器的曲面形狀為拋物面、柱面、橢球面、球面或雙曲面。所述的回旋管準(zhǔn)光輸出系統(tǒng)的射線(xiàn)表示法，其所述步驟f)中，若步驟e)的傳播路徑圖不符合要求，返回步驟b)，重新進(jìn)行。所述的回旋管準(zhǔn)光輸出系統(tǒng)的射線(xiàn)表示法，其用于回旋管準(zhǔn)光輸出系統(tǒng)應(yīng)用射線(xiàn)、回旋管準(zhǔn)光諧振腔應(yīng)用射線(xiàn)或光學(xué)器件應(yīng)用射線(xiàn)的表示。本發(fā)明表示法，精確簡(jiǎn)單實(shí)用，成本低，可以指導(dǎo)準(zhǔn)光模式變換器反射鏡曲面的設(shè)計(jì)和曲面修正。


圖I是一種內(nèi)置準(zhǔn)光模式變換器的回旋管；圖2a_圖2e是一面拋物面鏡面反射器，用于演示回旋管準(zhǔn)光輸出系統(tǒng)的射線(xiàn)表示法在鏡面反射器上的分步實(shí)施過(guò)程；其中圖2a是應(yīng)用CAD制圖軟件生成的拋物面鏡面反射器；圖2b是給出了由拋物面鏡面反射器的光源(置于焦點(diǎn)O位置上)發(fā)出的一束光射線(xiàn)；圖2c是經(jīng)過(guò)光射線(xiàn)和拋物面鏡面反射器的頂點(diǎn)存在一個(gè)平面，該平面與拋物面鏡面反射器存在相交線(xiàn)，相交線(xiàn)為拋物曲線(xiàn)；過(guò)&點(diǎn)作基準(zhǔn)面，同時(shí)基準(zhǔn)面垂直于拋物曲線(xiàn).圖2d是以基準(zhǔn)面為對(duì)稱(chēng)面，作光射線(xiàn)的鏡像，則形成反射光線(xiàn)，至此完成了由光源(O點(diǎn))發(fā)射的光線(xiàn)在拋物面鏡面反射器上的一次反射過(guò)程；圖2e是作另外的五條光射線(xiàn)(標(biāo)示分別為11-15)及其相應(yīng)的反射光線(xiàn)；圖3是本發(fā)明的一種回旋管準(zhǔn)光輸出系統(tǒng)的射線(xiàn)表示法流程圖。圖中標(biāo)號(hào)腔體-I輻射器-2 第一鏡面反射器-3第二鏡面反射器-4輸出窗-5 微波束-6電子束-7光射線(xiàn)-8 反射光射線(xiàn)_8a相交線(xiàn)-9基準(zhǔn)面-10五條光射線(xiàn)-11、12、13、14、15五條反射光線(xiàn)-Ila、12a、13a、14a、15a.
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的一種回旋管準(zhǔn)光輸出系統(tǒng)的射線(xiàn)表示方法，是根據(jù)毫米波或亞毫米波的類(lèi)光線(xiàn)特性，將從回旋管輻射器產(chǎn)生的毫米波束等效為光射線(xiàn)，將毫米波束在第一鏡面反射器和第二鏡面反射器上的傳播特性等效為光射線(xiàn)在第一鏡面反射器和第二鏡面反射器上的光線(xiàn)傳播過(guò)程；根據(jù)光學(xué)反射定律并借助于CAD制圖工具軟件可以將光射線(xiàn)在第一鏡面反射器和第二鏡面反射器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的反射傳播路徑清晰地表達(dá)出來(lái)，從而了解和掌握毫米波束在整個(gè)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的傳播路徑，用以指導(dǎo)準(zhǔn)光模式變換器反射鏡曲面的設(shè)計(jì)和曲面修正。下面將結(jié)合附圖描述本發(fā)明的實(shí)施方案。圖I是一種內(nèi)置準(zhǔn)光模式變換器的回旋管。該準(zhǔn)光模式變換器包括一個(gè)輻射器和兩個(gè)鏡面反射器(鏡面反射器的數(shù)量與輸出窗處高斯波束的變換質(zhì)量和模式轉(zhuǎn)換效率有關(guān))。在回旋管互作用腔體內(nèi)高階工作模式與回旋電子束相互作用產(chǎn)生高功率毫米波，毫米波由輻射器輻射發(fā)出，先后經(jīng)鏡面反射器3和鏡面反射器4的反射調(diào)整，高階模式分布的毫米波轉(zhuǎn)換成高斯分布的毫米波，最后經(jīng)由輸出窗輸送出去。根據(jù)毫米波或亞毫米波的類(lèi)光線(xiàn)特性，將從輻射器產(chǎn)生的毫米波束在鏡面反射器3和鏡面反射器4組成的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)上的傳播特性等效為光射線(xiàn)在該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)上的光線(xiàn)傳播過(guò)程；根據(jù)光學(xué)反射定律并借助于CAD制圖工具可以將光射線(xiàn)在轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的反射傳播路徑清晰地表達(dá)出來(lái)，從而了解和掌握毫米波束在整個(gè)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的傳播特性。為了說(shuō)明回旋管準(zhǔn)光輸出系統(tǒng)射線(xiàn)表示法的實(shí)施過(guò)程，以一面鏡面反射器是拋物曲面為例來(lái)演示光射線(xiàn)的傳播過(guò)程。為了清楚地描述光射線(xiàn)形成及其制圖描述的過(guò)程，采用了每個(gè)步驟每幅圖的方式來(lái)闡述。圖2a_圖2e給出了根據(jù)光學(xué)反射定律并借助于CAD制圖工具將由光源(置于焦點(diǎn)O位置上)發(fā)出的光射線(xiàn)在拋物面鏡面反射器上的反射及制圖過(guò)程。圖2a是應(yīng)用CAD制圖軟件生成的拋物面鏡面反射器。圖2b是給出了由拋物面鏡面反射器的光源(置于焦點(diǎn)O位置上)發(fā)出的一束光射線(xiàn)8，光射線(xiàn)8與拋物面鏡面反射器相交于a點(diǎn)。經(jīng)過(guò)光射線(xiàn)8和拋物面鏡面反射器的頂點(diǎn)存在一個(gè)平面，該平面與拋物面鏡面反射器存在相交線(xiàn)9，相交線(xiàn)9為拋物曲線(xiàn)；過(guò)a點(diǎn)作基準(zhǔn)面10，同時(shí)基準(zhǔn)面10垂直于拋物曲線(xiàn)9，如圖2c所示。以基準(zhǔn)面10為對(duì)稱(chēng)面，作光射線(xiàn)8的鏡像，則形成反射光線(xiàn)8a，至此完成了由光源(O點(diǎn))發(fā)射的光線(xiàn)在拋物面鏡面反射器上的一次反射過(guò)程，如圖2d所示。同理，可以作另外的五條光射線(xiàn)(標(biāo)示分別為11-15)及其相應(yīng)的反射光線(xiàn)(標(biāo)示分別為lla_15a)，如圖2e所示。由圖可以看出由于光源置于拋物面鏡面反射器的焦點(diǎn)位置，因此反射光線(xiàn)(編號(hào)lla_15a)彼此平行，也就是說(shuō)由焦點(diǎn)發(fā)出的光線(xiàn)，經(jīng)過(guò)拋物面鏡面反射器反射后的出射光線(xiàn)為平行光，從而也驗(yàn)證了該制圖方法及過(guò)程的正確性。在圖2a-圖2e中入射光線(xiàn)雖然是由焦點(diǎn)發(fā)出，而在實(shí)際的準(zhǔn)光模式變化器中鏡面反射器的入射光線(xiàn)是以特定角度入射的光線(xiàn)(角度由輻射器確定)，但光線(xiàn)在鏡面反射器上的反射及其制圖過(guò)程與圖2a-圖2e完全相同，由鏡面反射器反射出的光線(xiàn)為下一級(jí)鏡面反射器上的入射光線(xiàn)，其反射及其制圖過(guò)程也依然相同，因此圖2a_圖2e完全表述了回旋管準(zhǔn)光輸出系統(tǒng)的射線(xiàn)表示法。本發(fā)明的一種回旋管準(zhǔn)光輸出系統(tǒng)的射線(xiàn)表示法，流程如圖3所示。包括步驟a)確定入射光線(xiàn)角度；b)選擇兩鏡面反射器的曲面形狀，該曲面形狀為拋物面、柱面、橢球面、球面或雙曲面；c)將第一鏡面反射器、第二鏡面反射器順序放置于回旋管輻射器的輸出光路上；d)依據(jù)從回旋管輻射器產(chǎn)生的毫米波束與光射線(xiàn)等效的原理，將毫米波束在第一鏡面反射器和第二鏡面反射器上的傳播特性等效為光射線(xiàn)在第一鏡面反射器和第二鏡面反射器上的光線(xiàn)傳播過(guò)程；
e)根據(jù)光學(xué)反射定律并用CAD制圖工具軟件，將光射線(xiàn)在第一鏡面反射器和第二鏡面反射器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的反射傳播路徑制圖，清晰地表達(dá)出來(lái)；f)根據(jù)步驟e)的傳播路徑圖，了解和掌握毫米波束在整個(gè)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的傳播路徑，若符合要求，即指導(dǎo)準(zhǔn)光模式變換器反射鏡曲面的設(shè)計(jì)和曲面修正，完成；若不符合要求，返回步驟b)，重新進(jìn)行?！?br> 權(quán)利要求
1.一種回旋管準(zhǔn)光輸出系統(tǒng)的射線(xiàn)表示法，其特征在于，包括步驟 a)確定入射光線(xiàn)角度； b)選擇兩鏡面反射器的曲面形狀； c)將第一鏡面反射器、第二鏡面反射器順序放置于回旋管輻射器的輸出光路上； d)依據(jù)從回旋管輻射器產(chǎn)生的毫米波束與光射線(xiàn)等效的原理，將毫米波束在第一鏡面反射器和第二鏡面反射器上的傳播特性等效為光射線(xiàn)在第一鏡面反射器和第二鏡面反射器上的光線(xiàn)傳播過(guò)程； e)根據(jù)光學(xué)反射定律并用CAD制圖工具軟件，將光射線(xiàn)在第一鏡面反射器和第二鏡面反射器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的反射傳播路徑制圖，清晰地表達(dá)出來(lái)； f)根據(jù)步驟e)的傳播路徑圖，了解和掌握毫米波束在整個(gè)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的傳播路徑，若符合要求，即指導(dǎo)準(zhǔn)光模式變換器反射鏡曲面的設(shè)計(jì)和曲面修正，完成。
2.如權(quán)利要求I所述的回旋管準(zhǔn)光輸出系統(tǒng)的射線(xiàn)表示法，其特征在于，所述步驟b)中的鏡面反射器的曲面形狀為拋物面、柱面、橢球面、球面或雙曲面。
3.如權(quán)利要求I所述的回旋管準(zhǔn)光輸出系統(tǒng)的射線(xiàn)表示法，其特征在于，所述步驟f)中，若步驟e)的傳播路徑圖不符合要求，返回步驟b)，重新進(jìn)行。
4.如權(quán)利要求I所述的回旋管準(zhǔn)光輸出系統(tǒng)的射線(xiàn)表示法，其特征在于，所述回旋管準(zhǔn)光輸出系統(tǒng)的射線(xiàn)表示法用于回旋管準(zhǔn)光輸出系統(tǒng)應(yīng)用射線(xiàn)、回旋管準(zhǔn)光諧振腔應(yīng)用射線(xiàn)或光學(xué)器件應(yīng)用射線(xiàn)的表示。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種回旋管準(zhǔn)光輸出系統(tǒng)的射線(xiàn)表示法，涉及微波技術(shù)，包括a)確定入射光線(xiàn)角度；b)選擇兩鏡面反射器的曲面形狀；c)將第一鏡面反射器、第二鏡面反射器順序放置于回旋管輻射器的輸出光路上；d)將毫米波束在第一鏡面反射器和第二鏡面反射器上的傳播特性等效為光射線(xiàn)在第一鏡面反射器和第二鏡面反射器上的光線(xiàn)傳播過(guò)程；e)將光射線(xiàn)在第一鏡面反射器和第二鏡面反射器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的反射傳播路徑制圖；f)根據(jù)步驟e)的傳播路徑圖，指導(dǎo)準(zhǔn)光模式變換器反射鏡曲面的設(shè)計(jì)和曲面修正，完成。本發(fā)明表示法，精確簡(jiǎn)單實(shí)用，成本低。
文檔編號(hào)H01J9/00GK102956415SQ20111024972
公開(kāi)日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2011年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月29日
發(fā)明者耿志輝, 劉濮鯤, 顧偉, 粟亦農(nóng), 張世昌, 徐壽喜, 薛謙忠 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所