準(zhǔn)光模式變換器研究與設(shè)計(jì).pdf

1、目前,國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃是解決能源問(wèn)題的主要途徑之一,其中需要高功率回旋振蕩管作為電子回旋共振加熱(ECRH)的微波源。但是用于加熱等離子體的高功率回旋管均工作在高階模式,這種模式不利于傳播,因此需要準(zhǔn)光模式變換器將高階模式轉(zhuǎn)換成高斯波束。準(zhǔn)光模式變換器由輻射器和鏡面組成,輻射器又可以分為Vlasov輻射器和Denisov輻射器,鏡面可分為規(guī)則鏡面和相位修正鏡面。本文在理論上全面系統(tǒng)的研究了140GHz、TE28,8模式

2、和94GHz、TE6,2模式的準(zhǔn)光模式變換器,同時(shí)基于國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀、考慮加工難易度、實(shí)驗(yàn)的可行性等設(shè)計(jì)出多種準(zhǔn)光模式變換器系統(tǒng),并且所設(shè)計(jì)的準(zhǔn)光模式變換器系統(tǒng)在軟件仿真和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證上保持一致,主要研究?jī)?nèi)容分為五個(gè)部分。
　　1.開(kāi)展對(duì)Vlasov輻射器的研究。首先推導(dǎo)了橫電波(TE模式)和橫磁波(TM模式)在波導(dǎo)中的傳播,然后采用幾何光學(xué)理論分析了微波在波導(dǎo)中的傳播,分別設(shè)計(jì)出用于140GHz、TE28,8模式和94GHz、TE6

3、,2模式的Vlasov輻射器,Vlasov輻射器的優(yōu)點(diǎn)是易于加工。
　　2.分析了高斯波束在空間中傳輸特性,將圓高斯波束和橢圓高斯波束電磁場(chǎng)六個(gè)分量場(chǎng)分布全部表示出來(lái),為采用矢量繞射理論的方法設(shè)計(jì)相位反射面打下基礎(chǔ)。
　　3.采用矢量繞射理論設(shè)計(jì)規(guī)則鏡面。通過(guò)優(yōu)化規(guī)則鏡面,為140GHz、TE28,8模式設(shè)計(jì)的兩鏡面準(zhǔn)光模式變換系統(tǒng)功率傳輸效率達(dá)到89.03％;為94GHz、TE6,2模式設(shè)計(jì)的兩鏡面準(zhǔn)光模式變換器系統(tǒng)功率傳

4、輸效率達(dá)到87.10％,并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)熱測(cè)證實(shí)了設(shè)計(jì)的正確性,同時(shí)還設(shè)計(jì)了三鏡面準(zhǔn)光模式變換器系統(tǒng),功率傳輸效率達(dá)到85.62％。
　　4.采用矢量繞射理論,運(yùn)用The Katsenelenbaum-Semenov算法為140GHz、TE28,8模式設(shè)計(jì)的雙相位反射面準(zhǔn)光模式變換系統(tǒng)功率傳輸效率為93.33％,高斯波束矢量相關(guān)系數(shù)為97.71％,標(biāo)量相關(guān)系數(shù)為99.11％;為94GHz、TE6,2模式設(shè)計(jì)的含有單個(gè)相位反射面準(zhǔn)光模式

5、變換器系統(tǒng)功率傳輸效率達(dá)到88.39％,高斯波束矢量相關(guān)系數(shù)為91.32％,標(biāo)量相關(guān)系數(shù)為94.94％,雙相位反射面準(zhǔn)光模式變換器系統(tǒng)功率傳輸效率達(dá)到88.39％,高斯波束矢量相關(guān)系數(shù)為99.23％,標(biāo)量相關(guān)系數(shù)為99.43％。
　　5.采用耦合波理論設(shè)計(jì)Denisov輻射器。為140GHz、TE28,8模式設(shè)計(jì)的有錐度Denisov輻射器長(zhǎng)度為205.2mm,切口長(zhǎng)度為47.2mm,在Denisov輻射器螺旋切口Brilloui

6、n區(qū)內(nèi)高斯模式標(biāo)量相關(guān)系數(shù)大于98％,矢量相關(guān)系數(shù)大于85％。為94GHz、TE6,2模式設(shè)計(jì)的有錐度Denisov輻射器總長(zhǎng)度為49mm,切口長(zhǎng)度為17mm,高斯波束含量為98.32％,最后仿真軟件(LOT)驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)的正確性。
　　本文對(duì)準(zhǔn)光模式變換器系統(tǒng)(輻射器和鏡面)進(jìn)行詳細(xì)研究,完成了一般規(guī)則鏡面和相位修正面以及Denisov輻射器程序的編寫,根據(jù)回旋振蕩管具體的尺寸要求設(shè)計(jì)出多種準(zhǔn)光模式變換器系統(tǒng),特別是首次采用矢量