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同轴回旋管高频特性的研究

刘睿

  回旋振荡管(以下简称回旋管)是回旋器件中发展得比较成熟的高功率毫米波器件,它主要应用于受控热核聚变中等离子体电子回旋共振加热(ECRH)、等离子体的不稳定性控制与诊断、微波拒止武器及工业应用等方面。近年来,国际上为了ITER计划正在发展同轴回旋管。德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)和俄罗斯应用物理所(IAP)已研制了170GHz的同轴回旋管,在短脉冲情况下,得到超过1MW的功率。目前,正在进一步改造性能,提高脉冲连续时间,向连续波发展。 同轴回旋管多采用同轴纵向内开槽谐振腔,对于这种谐振腔的边界条件,目前世界上有两种处理方式:严格的场匹配理论和表面阻抗理论。利用表面阻抗理论得到的色散方程形式简单,通过它我们不仅可以建立无源二阶传输线方程,而且也可以推导出相应的模式耦合系数,这就为进一步研究同轴回旋管高频场的特性提供了条件。 本论文首先对圆柱谐振腔、光滑同轴谐振腔和同轴纵向内开槽谐振腔的模式竞争与工作模式的选择问题进行了深入的研究。研究了解决工作模式选择的新方法,论证了同轴纵向内开槽谐振腔在频率更高时,高阶模式稳定工作的优越性。 其次,对回旋管谐振腔本征模式计算的方法进行了深入的研究。由于传统算法需要对含有场幅值、谐振频率和Q值在内的多变量目标函数进行最小值优化,所以只能依靠属于局部优化的可变多面体算法来进行求解,事实证明这种方法在计算效率和准确度上都是不够理想的。因而,本论文提出了一种新计算方法,该方法避免了传统算法中利用可变多面体法和经典四阶龙格—库塔法反复搜索、迭代的计算,通过对只含有谐振频率和Q值二个变量目标函数的最小值求解,快速、准确地确定出本征模式的所有特性。 然后,从麦克斯韦方程出发,本论文推导了考虑模式耦合的同轴谐振腔无源二阶传输线方程,推导了光滑同轴和同轴纵向内开槽谐振腔的模式耦合系数。最后,基于新算法和同轴谐振腔的无源二阶传输线方程,对同轴回旋管的高频场特性进行了详细的计算。不仅获得了关于光滑同轴谐振腔相应的计算结果,而且也获得了同轴纵向内开槽谐振腔的内导体槽参量与本征模式的数值关系。这些都为实际研制同轴回旋管提供了理论基础。……   
[关键词]:同轴回旋管;模式选择;同轴纵向内开槽谐振腔;本征模式新算法
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:电子科技大学2011年