回旋振荡管高效率准光模式变换器的研究
Investigation of High-efficiency Quasi-optical Mode Converter for Gyrotron Oscillator
回旋振荡管以电子回旋脉塞为工作机理的一种真空电子器件.作为毫米波段下高功率微波系统的理想微波源,回旋振荡管在受控热核聚变中的等离子体加热、毫米波非致命定向能武器、材料处理与改性、以及特种陶瓷烧结等领域有着广泛的应用前景.准光模式变换器是回旋振荡管中的重要部件,用于将回旋振荡管的工作模式转变为高斯基模,从而实现对输出波束的直接利用或远距离传输.高效率的准光模式变换器可以有效降低管内衍射损耗,提高整管功率容量和效率,增强系统稳定性,延长器件寿命.因此,国外研究机构对准光模式变换器进行了大量的探索,且取得了丰硕的成果.国内在本领域起步晚、研究水平相对落后.正因为如此,本文对高效率的Denisov型开口辐射器及其对应的准光模式变换器进行了系统的研究,论文的主要工作如下:1.详细分析了Denisov型开口辐射器的工作原理,利用高斯分布的升余弦近似推导了不同模式叠加形成高斯束斑的过程.研究了基于闭合模式的目标耦合模式选择方法及扰动结构的设计方法,并给出了对应的耦合系数的解析表达式.2.基于耦合波理论、矢量绕射积分和物理光学法开发了Denisov型准光模式变换器的数值仿真程序.利用仿真程序对国外经典文献报道的140GHz,TE28,8模Denisov型开口辐射器进行了模拟,仿真结果与文献报道结果具有较好的一致性,验证了本程序的正确性.3.利用本文所研究的设计理论,在数值仿真程序的辅助下设计了用于95GHz,TE6,2模回旋振荡管的Denisov型准光模式变换器,并利用KSA算法编写了相位校正程序对最后一级反射镜面的形状进行了修正.仿真结果表明,输出波束的标量高斯模式纯度为99.12%,矢量高斯模式纯度为94.87%,准光模式变换器的能量转换效率为94.08%.4、设计了110GHz,TE22,6模Denisov型准光模式变换器,采用4级光滑反射镜面构成反射镜面系统,输出波束的标量模式纯度为98.59%,矢量模式纯度为94.43%,能量转换效率97.25%.设计了用于170GHz,TE34,19模回旋振荡管的Denisov型开口辐射器,结果表明本文所研究的设计方法及开发的数值仿真工具在较宽频率范围内和闭合模式下具有普遍的适用性.
- 作者：
- 刘云龙
- 学位授予单位：
- 重庆邮电大学
- 专业名称：
- 集成电路工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2016年
- 导师姓名：
- 王斌
- 中图分类号：
- TN12
- 关键词：
- 回旋管；准光模式变换器；Denisov型开口辐射器；耦合波理论
- gyrotron; quasi-optical mode converter; Denisov-type launcher; coupled mode theory;