專利名稱：準(zhǔn)光學(xué)回旋管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種準(zhǔn)光學(xué)回旋管，該回旋管包括用以產(chǎn)生電子束的第一裝置，電子束沿電子束軸方向延伸;用以產(chǎn)生與電子束平行的靜磁場，藉此迫使電子束中的電子進(jìn)行回旋運(yùn)動(dòng)的第二裝置;在與電子束軸垂直的諧振腔軸上有相互對置的兩面反射鏡的準(zhǔn)光學(xué)諧振腔，在其中，電子的回旋運(yùn)動(dòng)激發(fā)一個(gè)交變電磁場;以及用以把電磁輻射耦合輸出諧振腔的第三裝置。
例如，從瑞士專利第664045號或1987年6月《Brown Boveri Review》第303-307頁H.G.Mathews，Minh Quang Tran所著題為“大功率微波發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵組份-回旋管”(“Das Gyrotron，Schlüsselkomponente für Hochleistungs-Mikrowellensender”)論文中已經(jīng)知道如本文開始所述類型的那種準(zhǔn)光學(xué)回旋管。這種回旋管與常規(guī)圓筒形回旋管相比具有可產(chǎn)生多倍功率的優(yōu)點(diǎn)。其原因尤其在于如下事實(shí)1.由于諧振腔不與電子束同軸而是垂直于電子束軸的，所以可不受“電子束部分”支配而確定其尺寸。特別是，可通過放大直徑而減少諧振腔反射鏡和射頻(.RF)出射窗的曝輻量。
2.可將存在于諧振腔中的能量經(jīng)由兩輸出口，即在兩諧振腔反射鏡的每一反射鏡處耦合輸出。
所述類型的準(zhǔn)光學(xué)回旋管一般在150GH或更高頻率條件下工作，并可以連續(xù)方式產(chǎn)生幾百千瓦的輻射功率。然而，鑒于這種回旋管要用作聚變反應(yīng)堆中加熱等離子體，就需要1兆瓦和更高的連續(xù)功率。到這樣高的功率必然會(huì)引起各種各樣的困難。特別遇到的一個(gè)問題是如何把毫米波有效地耦合輸出諧振腔。
從瑞士專利第668，865號已知有如下兩種用以從開始所述類型的開放諧振腔耦合輸出的建議通過諧振腔反射鏡中的環(huán)形隙縫耦合輸出和在縮小直徑的反射鏡邊緣處耦合輸出。但是，兩種嘗試中沒有一種解決辦法是令人滿意的。一方面，因?yàn)殡S高輻射功率而出現(xiàn)的高電場強(qiáng)度在隙縫的邊緣處會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)的擊穿。另一方面，按此方式無高斯模耦合輸出。然而，事實(shí)是當(dāng)前只有高斯?？梢詿o損耗地經(jīng)由相當(dāng)長的距離將其傳遞到負(fù)載。
有人建議結(jié)合大功率激光的結(jié)構(gòu)以這樣的方式來達(dá)到將光諧振腔的輻射耦合輸出，即給兩反射諧振腔鏡之一配置一種循環(huán)結(jié)構(gòu)，使得20%的諧振腔能量按一給定角度旁向耦合輸出。特別，從美國專利3，609，585號中已知的一種耦合輸出鏡，它呈現(xiàn)周期性狹窄的由寬平部分隔開的波谷。這些決定著耦合輸出的波谷被構(gòu)成鋸齒波形。
然而，這種來自激光結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的已知解決辦法并不適合于準(zhǔn)光學(xué)回旋管。除尖的邊緣外，主要還有不利的波動(dòng)光學(xué)效應(yīng)，這在毫米波的情況下，在相當(dāng)大的尺寸(mm級)上自然地已成為重要的問題，并導(dǎo)致不希望的衍射波峰或二次衍射波峰。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種新穎的開始所述類型的回旋管，在該回旋管中，所要求的電磁輻射高效地耦合輸出準(zhǔn)光學(xué)諧振腔。特別是本發(fā)明的目的在于以這種方式來發(fā)展所述類型的回旋管，即以高斯模的形式耦合輸出所要求的輻射。
按照本發(fā)明的所述解決辦法在于該第三裝置至少包含一全息片，后者至少是在諧振腔兩反射鏡之一的反射鏡面上的一個(gè)全息片，并具有這樣的特性，即，有待耦合輸出的輻射至少正好按一個(gè)耦合輸出軸的方向進(jìn)行散射，該耦合輸出軸與諧振腔軸形成一個(gè)預(yù)定的不等于零的角α。
本發(fā)明的核心在于，該全息片不象常規(guī)的刻劃光柵紿終呈現(xiàn)幾個(gè)衍射方向(在其中，入射波，就是說，諧振腔的高斯模被散射)，而只是呈現(xiàn)一種可預(yù)定個(gè)數(shù)的明確限定的散射方向。因而，準(zhǔn)備耦合輸出的輻射始終僅指向所要求的方向。此外，可將全息片用以產(chǎn)生所要求的高斯波，于是就可無顯著損耗地將其傳導(dǎo)給負(fù)荷。
在一種準(zhǔn)光學(xué)回旋管中，其中由兩個(gè)按亥姆霍茲配置(Helmholtz Anordnung)的線圈來產(chǎn)生靜磁場，諧振腔軸和耦合輸出軸最好定位在垂直于電子束軸的共同平面內(nèi)，諧振腔軸與耦合輸出軸之間的角度有利地恰好大到足于使耦合輸出的輻射得以基本上不經(jīng)干擾地緊挨著諧振腔相對的反射鏡的一側(cè)通過。
提供多個(gè)耦合輸出軸可能是有利的。在這種實(shí)施例中，輻射載荷被分配到幾個(gè)RF出射窗。當(dāng)RF出射窗載荷能力受限時(shí)，回旋管的總負(fù)荷可由此倍增。
所述的倍增可通過各種不同的方式達(dá)到。例如，給任一個(gè)反射表面配置一個(gè)全息片，該全息片精確地提供兩個(gè)耦合輸出軸?；蛘邇煞瓷溏R各自呈現(xiàn)一個(gè)全息片，使之各自精確地提供一耦合輸出軸。
一般說來，該全息片不是用具體的實(shí)體特性全面地加以描述的。而是通過它在一或幾個(gè)限定角度散射給定入射波的特定特性確定的。
該全息片實(shí)質(zhì)上是一橫向并經(jīng)深度調(diào)制的、具有電磁輻射的一個(gè)波長數(shù)量級結(jié)構(gòu)尺寸的導(dǎo)電反射鏡面。
最終，在權(quán)利要求書中可見到大量另外的實(shí)施例。
下面，借助于實(shí)施例結(jié)合附圖將對本發(fā)明作更詳細(xì)的說明。


圖1表示示意性表示的準(zhǔn)光學(xué)回旋管的縱截面圖，圖2表示示意性表示的準(zhǔn)光學(xué)回旋管的橫截面圖，圖3表示帶全息片反射鏡面的簡化橫截面圖，以及圖4表示帶全息片反射鏡的示意性前視圖。
附圖中所用標(biāo)號和它們的含義以列表形式在標(biāo)志單中加以概述。原則上，用相同標(biāo)號標(biāo)志相同的部件。
圖1表示本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例。一個(gè)相應(yīng)的準(zhǔn)光學(xué)回旋管包括用以產(chǎn)生一種例如沿電子束軸2延伸的環(huán)形電子束1的第一裝置6。所述第一裝置6包含例如，眾所周知的磁控管注入電子槍。按亥姆霍茲配置方式(就是說，基本上具有相當(dāng)于它們的半徑的相互間隔)的兩個(gè)線圈3a、3b產(chǎn)生一平行于電子束軸2的靜磁場，使得電子束1的電子被迫進(jìn)行回旋運(yùn)動(dòng)。
由相互對置在諧振腔軸5上的兩面反射鏡4a、4b構(gòu)成的準(zhǔn)光學(xué)諧振腔以這樣的方式安置在兩個(gè)線圈3a、3b之間，即，它的諧振腔5與電子束軸2垂直。
通過電子的回旋運(yùn)動(dòng)，在諧振腔中激發(fā)一種射頻交變電磁場，以便用適當(dāng)?shù)难b置將所要求的電磁輻射耦合輸出諧振腔并通過RF出射窗，必要時(shí)，通過一種波導(dǎo)傳遞到負(fù)荷，所述RF出身窗相對于外層空間(例如，一種波導(dǎo))透明封閉一抽成真空的容器9，在該容器中，容納所述部件。
相互間施加強(qiáng)力的兩線圈3a、3b利用一個(gè)支承結(jié)構(gòu)7互相支持住。這為諧振腔形成了鏜孔或自由空間。該支承結(jié)構(gòu)7，舉例來說，可以是備有鏜孔的鋼托架或適當(dāng)安排的鈦棒的支承框架。
直到這里所述回旋管的部件是人們十分熟悉的(例如，從開始引述的先有技術(shù))。因而，在此就可省略有關(guān)這方面的詳細(xì)說明。
與此相反，耦合輸出的類型和方式是新穎的。在下文將對此進(jìn)行論述。
圖2表示按照本發(fā)明的回旋管的橫截面圖。圖中，電子束軸2垂直于圖示面。在支承結(jié)構(gòu)7之后或者說在其中可見到線圈3b。其余參照圖1已述部件都標(biāo)有與圖1相同的標(biāo)號。
反射鏡4a、4b兩者都有橫截面占據(jù)諧振腔。而且，舉例來說，是圓形的。它們各自具有一金屬或超導(dǎo)的并最好是彎曲成球面的反射鏡面8a、8b。根據(jù)一個(gè)最佳實(shí)施例，兩反射鏡面之一8b呈現(xiàn)一全息片，該全息片以一預(yù)定角度α耦合輸出諧振腔中振蕩的交變磁場的一部分。
反射鏡4b上的全息片完全按預(yù)定角度α沿一耦合輸出軸10把所要求的輻射耦合輸出諧振腔。α表示由諧振腔軸5和耦合輸出軸10所夾的角度。它明確不為零，也就是說，這樣耦合輸出的輻射可緊挨著對置的反射鏡4a的一側(cè)通過。RF出射窗11位于耦合輸出軸10上，并相對一個(gè)同軸連接到耦合輸出軸10的波導(dǎo)(圖上未示出)密封抽成真空的容器9。
角度α最好盡可能小。在這種情況下，耦合輸出的輻射可以比較不受干擾地剛好緊挨著反射鏡4a的一側(cè)通過。于是，角度α相當(dāng)于孔徑角的數(shù)量級，在該角度從衍射鏡4b可見到所述鏡4a(就是說，取決于鏡直徑與鏡間隔之間的比率)。通常是20°-30°的數(shù)量級。
這種使角度為最小的好處在于，供耦合輸出用的支承結(jié)構(gòu)7只需要呈現(xiàn)一個(gè)比較短的，也就是說，接近徑向延伸的孔徑，而并不比絕對需要的減弱多少。
圖3以線痕圖的方式表示備有全息片12的反射鏡面8b的一部分。該反射鏡面8b基本上垂直于諧振腔軸5。該全息片12是通過反射鏡面8b予以體現(xiàn)的。在實(shí)際情況中，該結(jié)構(gòu)的特性取決于入射和反射波，特別取決于它們的波長、波前的形狀，強(qiáng)度分布(諧振腔耦合輸出能量與諧振腔中存儲(chǔ)能量之比)及其傳播方向(例如，角度α)。一般，不能用簡單的幾何參數(shù)，諸如，厚度d或周期L來描述所述結(jié)構(gòu)。
總括地說，例如可將全息片12描述如下1.入射波是諧振腔的高斯模并基本上垂直射到反射鏡面(全息平面)。
2.入射波的主要部分(例如，99%)被反射成按相反方向(即，諧振腔軸5的方向)的高斯模。
3.入射波的一小部分(例如，1%)被散射成按角度α的高斯波(即，按耦合輸出軸10的方向)。
如果所述高斯波是明確地確定的，則也明確地確定該全息片12。
該全息片的參數(shù)對諧振腔的特性也具有影響。這是因?yàn)轳詈陷敵龅墓β时壤捎靡栽O(shè)定諧振腔的品質(zhì)因數(shù)。以此方向可為回旋管確定最佳的預(yù)定功率范圍。
就高斯波而論，可以說，關(guān)于該結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，即，厚度d(結(jié)構(gòu)深度)和周期L，一般是所要求的輻射的一個(gè)波長的數(shù)量級并且發(fā)生尖銳的邊緣。在毫米級波長的情況下，可因此產(chǎn)生幾何尺寸為幾十分之一直至幾個(gè)毫米的數(shù)量級。
最終圖4表示圓形反射鏡的示意性前視圖。用以耦合輸出所要求高斯波的全息片由多個(gè)相鄰延伸的相似的曲線加以表示，這些曲線例示結(jié)構(gòu)的凸起部分。該凸起部分一般在小區(qū)域內(nèi)是周期性的，而不在整個(gè)全息片范圍內(nèi)有周期性。
可有利在應(yīng)用計(jì)算機(jī)來生產(chǎn)按照本發(fā)明的全息片。當(dāng)把以上說明的全息片參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)時(shí)，計(jì)算機(jī)就被用來計(jì)算反射鏡面的具體結(jié)構(gòu)。于是，借助于機(jī)床把計(jì)算出的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到反射鏡面。這種生產(chǎn)方法利用了這樣的事實(shí)，即全息結(jié)構(gòu)的尺寸是約1/10mm的數(shù)量級。
然而，也可能用毫米波照相來記錄全息片。在該方法中，使諧振腔的高斯模與光學(xué)全息術(shù)類似地與準(zhǔn)備耦合輸出的高斯波進(jìn)行干涉，并將形成的干涉圖用照相記錄下來。
在下文中，將簡短論述本發(fā)明另外一些實(shí)施例。
迄今為止，所論述的始終是在球面形彎曲的反射鏡上的全息片。但是，本發(fā)明并不只局限于這樣的反射鏡。也可以十分方便地采用一種平面反射鏡，并在全息片中結(jié)合球面曲率效應(yīng)。
另一要點(diǎn)是散射方向的數(shù)目。迄今為止，總是強(qiáng)調(diào)只正好按一個(gè)方向發(fā)生耦合輸出。然而，這僅與一個(gè)實(shí)施例符合。換句話說，如果全息片正好按二個(gè)或一般正好按n個(gè)預(yù)定耦合輸出方向散身高斯波的話，也仍然是在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。多重耦合輸出可以是一種有利點(diǎn)，舉例來說，如果涉及的情況是，受到RF出射窗允許載荷能力限制的輸出功率，能夠成倍增長獲得回旋管高的總計(jì)功率。如前所述，使輻射僅按例如兩個(gè)預(yù)定耦合輸出軸方向散射對取得高效率來說是很重要的。
在具有兩個(gè)耦合輸出方向的全息片的情況下，最好將所述兩個(gè)耦合輸出軸安置在對稱于諧振腔軸之處。
也可以用不同的方式來倍增總功率，即為諧振腔的兩面反射鏡4a、4b各自配置一個(gè)適當(dāng)?shù)娜⑵?。這樣，可獲得兩個(gè)高斯波，例如，借助于兩片各自正好有一個(gè)耦合輸出方向的全息片。
原則上，本發(fā)明并不限制于高斯波形狀。也可以按完全相類似的方法為其它用途耦合輸出其它的、甚至任意的波形。
總括地說，按照本發(fā)明借助于耦合輸出的類型，可以產(chǎn)生大連續(xù)功率的毫米和次毫米波。這樣產(chǎn)生的波可沒有顯著損耗地用常規(guī)波導(dǎo)傳遞到遠(yuǎn)的負(fù)荷。
標(biāo)志單1-電子槍;2-電子束軸;3a、3b＝線圈;4a、4b＝反射鏡;5-諧振腔軸;6-用以產(chǎn)生電子束的裝置;7-支承結(jié)構(gòu);8a、8b＝反射鏡面;9-容器;10-耦合輸出軸;11-RF出射窗;12-全息片;
權(quán)利要求
1.一種準(zhǔn)光學(xué)回旋管，它包括用以產(chǎn)生沿電子束軸方向延伸的電子束的第一裝置；用以產(chǎn)生與電子束軸平行的靜磁場、藉此迫使電子束的電子進(jìn)行回旋運(yùn)動(dòng)的第二裝置，在與電子束軸垂直的諧振腔軸上呈現(xiàn)相互對置的兩面反射鏡的準(zhǔn)光學(xué)諧振腔、在其中，電子的回旋運(yùn)動(dòng)激發(fā)一個(gè)交變電磁場，用以把電磁輻射耦合輸出諧振腔的第三裝置，其特征在于該第三裝置至少包含一全息片，該全息片至少是在諧振腔兩反射鏡之一的反射鏡面上的一個(gè)全息片，并具有這樣的特性，即使準(zhǔn)備耦合輸出的輻射至少正好按一個(gè)耦合輸出軸的方向進(jìn)行散射，該至少正好一個(gè)耦合輸出軸與諧振腔軸形成一個(gè)預(yù)定的不等于零的角度a。
2.如權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)光學(xué)回旋管，其特征在于該耦合輸出軸和諧振腔軸定位在基本上垂直于電子束軸的共同平面內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)光學(xué)回旋管，其特征在于該全息片相當(dāng)于在全息平面中在預(yù)定角度α條件下兩高斯波的疊加;兩高斯波之一基本上垂直地射到該全息平面。
4.如權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)光學(xué)回旋管，其特征在于該全息片是以這樣的方式構(gòu)造的，即，它僅僅正好按一個(gè)耦合輸出軸的方向散射電磁輻射。
5.如權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)光學(xué)回旋管，其特征在于該全息片是以這樣的方式構(gòu)造的，即，它僅僅正好按兩個(gè)耦合輸出軸的方向散射電磁輻射。
6.如權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)光學(xué)回旋管，其特征在于耦合輸出軸與諧振腔軸間的夾角α應(yīng)盡可能小，使得耦合輸出的輻射恰好能基本上無干擾地緊挨著對面諧振腔的第二反射鏡通過。
7.如權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)光學(xué)回旋管，其特征在于該全息片是以這樣的方式構(gòu)造的，即，在諧振腔中振蕩的交變場只有很少百分?jǐn)?shù)被耦合輸出。
8.如權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)光學(xué)回旋管，其特征在于該全息片是一種橫向并經(jīng)深度調(diào)制的導(dǎo)電反射鏡面，其結(jié)構(gòu)尺寸為電磁輻射一個(gè)波長的數(shù)量級。
9.如權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)光學(xué)回旋管，其特征在于(1)用以產(chǎn)生一靜磁場的第二裝置包含兩個(gè)沿電子束軸按玄姆霍茲配置方式排列的線圈，(2)準(zhǔn)光學(xué)諧振腔是提供在所述兩線圈之間的，以及(3)諧振腔軸和耦合輸出軸定位在垂直于電子束軸的共同平面內(nèi)。
10.如權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)光學(xué)回旋管，其特征在于該反射鏡面基本上垂直于諧振腔軸且球面形彎曲，同時(shí)，該反射鏡基本上是圓形的。
全文摘要
在準(zhǔn)光學(xué)回旋管中，呈現(xiàn)具有互相對置在諧振腔軸(5)上的兩面反射鏡(4a、4b)的準(zhǔn)光學(xué)諧振腔，所要求的電磁輻射是借助一全息片耦合輸出的。此外，至少諧振腔的兩反射鏡之一(4b)呈現(xiàn)配置一全息片的反射鏡面(8b)。該全息片是以這種方式構(gòu)成的，即，使有待耦合輸出的輻射至少正好按一個(gè)耦合輸出軸(10)的方向散射，所述耦合輸出軸(10)與諧振腔軸(5)形成一預(yù)定的不等于零的角α。角α最好盡可能小。
文檔編號H01J25/00GK1049069SQ90106599
公開日1991年2月6日 申請日期1990年7月28日 優(yōu)先權(quán)日1989年7月28日
發(fā)明者賓德·約迪克, 漢斯-剛特·馬修斯 申請人:亞瑞亞·勃朗勃威力有限公司