[发明专利]准光学回旋管

说明书

本发明涉及一种准光学回旋管，该回旋管包括：用以产生电子束的第一装置，电子束沿电子束轴方向延伸;用以产生与电子束平行的静磁场，藉此迫使电子束中的电子进行回旋运动的第二装置;在与电子束轴垂直的谐振腔轴上有相互对置的两面反射镜的准光学谐振腔，在其中，电子的回旋运动激发一个交变电磁场;以及用以把电磁辐射耦合输出谐振腔的第三装置。

例如，从瑞士专利第664045号或1987年6月《Brown    Boveri    Review》第303-307页H.G.Mathews，Minh    Quang    Tran所著题为“大功率微波发射机的关键组份-回旋管”（“Das    Gyrotron，Schlüsselkomponente    für    Hochleistungs-Mikrowellensender”）论文中已经知道如本文开始所述类型的那种准光学回旋管。这种回旋管与常规圆筒形回旋管相比具有可产生多倍功率的优点。其原因尤其在于如下事实：

1.由于谐振腔不与电子束同轴而是垂直于电子束轴的，所以可不受“电子束部分”支配而确定其尺寸。特别是，可通过放大直径而减少谐振腔反射镜和射频（RF）出射窗的曝辐量。

2.可将存在于谐振腔中的能量经由两输出口，即在两谐振腔反射镜的每一反射镜处耦合输出。

所述类型的准光学回旋管一般在150GH或更高频率条件下工作，并可以连续方式产生几百千瓦的辐射功率。然而，鉴于这种回旋管要用作聚变反应堆中加热等离子体，就需要1兆瓦和更高的连续功率。到这样高的功率必然会引起各种各样的困难。特别遇到的一个问题是如何把毫米波有效地耦合输出谐振腔。

从瑞士专利第668，865号已知有如下两种用以从开始所述类型的开放谐振腔耦合输出的建议：通过谐振腔反射镜中的环形隙缝耦合输出和在缩小直径的反射镜边缘处耦合输出。但是，两种尝试中没有一种解决办法是令人满意的。一方面，因为随高辐射功率而出现的高电场强度在隙缝的边缘处会发生危险的击穿。另一方面，按此方式无高斯模耦合输出。然而，事实是当前只有高斯模可以无损耗地经由相当长的距离将其传递到负载。

有人建议结合大功率激光的结构以这样的方式来达到将光谐振腔的辐射耦合输出，即给两反射谐振腔镜之一配置一种循环结构，使得20%的谐振腔能量按一给定角度旁向耦合输出。特别，从美国专利3，609，585号中已知的一种耦合输出镜，它呈现周期性狭窄的由宽平部分隔开的波谷。这些决定着耦合输出的波谷被构成锯齿波形。

然而，这种来自激光结构领域的已知解决办法并不适合于准光学回旋管。除尖的边缘外，主要还有不利的波动光学效应，这在毫米波的情况下，在相当大的尺寸（mm级）上自然地已成为重要的问题，并导致不希望的衍射波峰或二次衍射波峰。

因此，本发明的一个目的是提供一种新颖的开始所述类型的回旋管，在该回旋管中，所要求的电磁辐射高效地耦合输出准光学谐振腔。特别是本发明的目的在于以这种方式来发展所述类型的回旋管，即以高斯模的形式耦合输出所要求的辐射。

按照本发明的所述解决办法在于该第三装置至少包含一全息片，后者至少是在谐振腔两反射镜之一的反射镜面上的一个全息片，并具有这样的特性，即，有待耦合输出的辐射至少正好按一个耦合输出轴的方向进行散射，该耦合输出轴与谐振腔轴形成一个预定的不等于零的角α。

本发明的核心在于，该全息片不象常规的刻划光栅绐终呈现几个 衍射方向（在其中，入射波，就是说，谐振腔的高斯模被散射），而只是呈现一种可预定个数的明确限定的散射方向。因而，准备耦合输出的辐射始终仅指向所要求的方向。此外，可将全息片用以产生所要求的高斯波，于是就可无显著损耗地将其传导给负荷。

在一种准光学回旋管中，其中由两个按亥姆霍兹配置（Helmholtz    Anordnung）的线圈来产生静磁场，谐振腔轴和耦合输出轴最好定位在垂直于电子束轴的共同平面内，谐振腔轴与耦合输出轴之间的角度有利地恰好大到足于使耦合输出的辐射得以基本上不经干扰地紧挨着谐振腔相对的反射镜的一侧通过。

提供多个耦合输出轴可能是有利的。在这种实施例中，辐射载荷被分配到几个RF出射窗。当RF出射窗载荷能力受限时，回旋管的总负荷可由此倍增。

所述的倍增可通过各种不同的方式达到。例如，给任一个反射表面配置一个全息片，该全息片精确地提供两个耦合输出轴。或者两反射镜各自呈现一个全息片，使之各自精确地提供一耦合输出轴。

一般说来，该全息片不是用具体的实体特性全面地加以描述的。而是通过它在一或几个限定角度散射给定入射波的特定特性确定的。