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同轴腔回旋管准光学模式转换器（博士论文）
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上传时间: 2010-05-14
详细说明： 摘要 兆瓦级回旋管通常工作在低损耗的高阶腔体模式下。高阶腔体模式实际上 不适于自由空间的传输，因为在该传输过程中存在严重的衍射和极化损耗，所 以必须将该模式转换成基模高斯束。应用传统的模式转换器，对高阶模进行模 式的降阶转换将导致转换器中的波导半径非常大，在波导中将产生模式竞争， 所以实际上是不可行的。因此必须采用准光学模式转换器完成高阶腔体模到基 模高斯束的转换。本论文的工作主要是为德国卡尔斯鲁尔研究中心的工作在 17G0Hz、工作模式为TE34，:9模、功率为2兆瓦的连续波同轴腔回旋管设计准 光学模式转换器。本论文的工作由国际热核实验反应堆(ITER)的EFDA项目 (TWS一THHE一CCGDSZ)资助。 准光学模式转换器是由开口波导天线(发射器)与镜面系统所组成。用于 波纹壁发射器的一般设计方法可以获得具有较高高斯模式含量的输出波束。基 于纹壁发射器的该一般设计方法，在论文第二章中导出了缩短的扰动长度和与 扰动长度相匹配的扰动幅度的数学表达式，为缩短的发射器的综合设计提供了 理论依据。同时，由于发射器变短，相应地增加了电子回收区的长度，有利于 电子回收系统的设计和避免电子束撞击到发射器的内壁上。此方法通过对工作 在TEz，26模式(l18GHz )的发射器的设计获得了检验。 对于工作在诸如TE34，:9如此高阶腔体模式下的同轴腔回旋管，其散焦柱面 的直径与发射器的直径比为0.323，TE34，，9模式所对应的射线轨迹不能在发射 器截面上形成封闭的或近似闭合的多边形.在这种情况下，这种一般方法所设 计的波纹壁发射器不能把高阶腔体模式转换为近高斯分布，该回旋管的准光学 模式转换器的综合设计变得非常困难，对如何获得具有高的转换效率和低损耗 的高质量输出波束是一大挑战。这对这种回旋管的准光学模式转换器的参数设 置提出了相对高的要求。论文第二章中提出了相位准则用作准光学模式转换器 的优化监控和参数选择的质量指标。 论文第三章讨论了镜面系统的综合设计方法和计算机程序实现。利用 Katsenelenbaum一Semenov算法，实现T相位校正镜面的设计。在论文第四章 中分析了在德国卡尔斯鲁尔研究中心为1700Hz、工作模式为TE34，，9模、功率 第n页西南交通大学博士研究生学位论文 为2兆瓦的连续波同轴腔回旋管而开发的准光学模式转换器的预研模型的设计 和实验结果，探讨了存在的问题:所设计的波纹壁发射器未能有效地实现腔体 模式到基模高斯波束的转换，在发射器孔径中的场仅有4器的基模高斯模式转 换效率;同时，在发射器开口边缘的场分布较强，导致发射器衍射损耗达到 5.13%，这不能满足回旋管输出达到95%的基模高斯模式含量和转换效率的要 求。为此，论文第五章讨论了对该模式转换器的改进。论文第四章还讨论了基 于本论文提出的相位原则实现镜面系统的参数优化。 对于诸如TE34，:9模，由于一般方法所设计的波纹壁发射器不能完成高阶腔 体模式到近高斯分布的转换，论文第五章中提出了将高阶谐波引入了波导壁的 形变中，并对具有高阶扰动的波纹发射器进行了数值优化，抑制了开口边沿的 场。优化后的发射器中的场分布可以用波导模式良好地近似，辐射场可以用标 量衍射积分进行计算。这为开口波导天线中的场分布模拟和波导天线开口边缘 具有弱场分布情况下的波导的辐射场的计算均提供了一个简单的方法。 论文第五章改进了镜面系统的数值优化过程，将相位校正镜面的加工精度 对转换效率的影响引入了数值优化中。使用优化后的准光学模式转换器在回旋 管的输出窗口上获得了对束腰半径为20毫米的圆形的基模高斯分布的95.8% 的转换效率及90%的功率传输率。文中提出了相位校正镜面的初始条件的改 善方法，以使镜面系统的功率传输率和模式转换效率得到提高，并降低对镜面 校正系统的加工精度的要求，使相位校正系统便于工程实现。基于改善后的初 始条件，镜面系统得到了改进，并预期在输出窗口上功率传输率可达到95%。 关键词:回旋管;准光学模式转换器;相位校正;模式转换 ...展开收缩
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