论文部分内容阅读
目前,国际热核聚变实验堆(ITER)计划是解决能源问题的主要途径之一,其中需要高功率回旋振荡管作为电子回旋共振加热(ECRH)的微波源。但是用于加热等离子体的高功率回旋管均工作在高阶模式,这种模式不利于传播,因此需要准光模式变换器将高阶模式转换成高斯波束。准光模式变换器由辐射器和镜面组成,辐射器又可以分为Vlasov辐射器和Denisov辐射器,镜面可分为规则镜面和相位修正镜面。本文在理论上全面系统的研究了140GHz、TE28,8模式和94GHz、TE6,2模式的准光模式变换器,同时基于国内研究现状、考虑加工难易度、实验的可行性等设计出多种准光模式变换器系统,并且所设计的准光模式变换器系统在软件仿真和实验的验证上保持一致,主要研究内容分为五个部分。1.开展对Vlasov辐射器的研究。首先推导了横电波(TE模式)和横磁波(TM模式)在波导中的传播,然后采用几何光学理论分析了微波在波导中的传播,分别设计出用于140GHz、TE28,8模式和94GHz、TE6,2模式的Vlasov辐射器,Vlasov辐射器的优点是易于加工。2.分析了高斯波束在空间中传输特性,将圆高斯波束和椭圆高斯波束电磁场六个分量场分布全部表示出来,为采用矢量绕射理论的方法设计相位反射面打下基础。3.采用矢量绕射理论设计规则镜面。通过优化规则镜面,为140GHz、TE28,8模式设计的两镜面准光模式变换系统功率传输效率达到89.03%;为94GHz、TE6,2模式设计的两镜面准光模式变换器系统功率传输效率达到87.10%,并且通过实验热测证实了设计的正确性,同时还设计了三镜面准光模式变换器系统,功率传输效率达到85.62%。4.采用矢量绕射理论,运用The Katsenelenbaum-Semenov算法为140GHz、TE28,8模式设计的双相位反射面准光模式变换系统功率传输效率为93.33%,高斯波束矢量相关系数为97.71%,标量相关系数为99.11%;为94GHz、TE6,2模式设计的含有单个相位反射面准光模式变换器系统功率传输效率达到88.39%,高斯波束矢量相关系数为91.32%,标量相关系数为94.94%,双相位反射面准光模式变换器系统功率传输效率达到88.39%,高斯波束矢量相关系数为99.23%,标量相关系数为99.43%。5.采用耦合波理论设计Denisov辐射器。为140GHz、TE28,8模式设计的有锥度Denisov辐射器长度为205.2mm,切口长度为47.2mm,在Denisov辐射器螺旋切口Brillouin区内高斯模式标量相关系数大于98%,矢量相关系数大于85%。为94GHz、TE6,2模式设计的有锥度Denisov辐射器总长度为49mm,切口长度为17mm,高斯波束含量为98.32%,最后仿真软件(LOT)验证了此设计的正确性。本文对准光模式变换器系统(辐射器和镜面)进行详细研究,完成了一般规则镜面和相位修正面以及Denisov辐射器程序的编写,根据回旋振荡管具体的尺寸要求设计出多种准光模式变换器系统,特别是首次采用矢量绕射理论的方法设计相位修正面,其结果比标量绕射理论设计相位反射面更加准确,最后设计出来的Denisov辐射器的性能也比同类型国内外文献所报道的要好。