专利名称：一种回旋管准光输出系统的射线表示法的制作方法
技术领域：
本发明涉及微波技术，特别涉及高功率回旋管毫米波源，是一种回旋管准光输出系统的射线表不法。
背景技术：
回旋管是一类以电子回旋脉塞为机理而发展起来的快波器件，其工作机理可理解为利用电子在磁场中回旋频率的变化及电子的相对论效应发生群聚，使电子与同步电磁波相互作用，激发产生高能微波辐射。回旋管的结构相对简单，在毫米和亚毫米波段能以多种方式产生高脉冲峰值功率与连续波功率，填补了传统微波管和激光器在此波段的空白。目前，回旋管已广泛应用于受控热核聚变的等离子体加热、高能粒子加速器、毫米波定向能武器、材料处理及等离子体化学等领域。随着回旋管向着高频率、高功率发展，其工作模式大多采用低损耗的高阶腔体模式，最典型的工作模式有TEtln角向对称模、TEmn边廊模(m > > η且η = I或2)以及TEmn不对称体模(m >> I且η > 2)。由于腔体内高阶模式在传输过程中存在严重的衍射和极化损耗，实际上并不适合于自由空间的传输，必须将腔体内的高阶模式转换为利于传输的低阶波导模式或自由空间的高斯波束。为了直接将回旋管内高阶工作模式的复杂场结构转换为线极化的高斯波束，可以由准光模式变换器来实现。一般而言，准光模式变换器由一个终端开口的电大尺寸波导辐射器和两个曲面反射镜面系统组合而成(如图I所示)。图I中标示I为腔体，标示2为辐射器，标示3为第一镜面反射器，标示4为第二镜面反射器，标示5为输出窗，标示6为微波束，标示7为电子束。对于毫米波或亚毫米波而言，准光模式变换器无论是横向结构尺寸还是纵向结构尺寸都属于电大尺寸，应用高频模拟仿真软件对准光模式变换器进行全三维的高频模拟计算时需要巨大的计算资源和计算机时，很难有效快捷地指导准光模式变换器的设计工作。
发明内容
本发明的目的是公开一种回旋管准光输出系统的射线表示法，以解决现有技术存在的问题。为达到上述目的，本发明的技术解决方案是一种回旋管准光输出系统的射线表示法，其包括步骤a)确定入射光线角度；b)选择两镜面反射器的曲面形状；c)将第一镜面反射器、第二镜面反射器顺序放置于回旋管辐射器的输出光路上；d)依据从回旋管辐射器产生的毫米波束与光射线等效的原理，将毫米波束在第一镜面反射器和第二镜面反射器上的传播特性等效为光射线在第一镜面反射器和第二镜面反射器上的光线传播过程；e)根据光学反射定律并用CAD制图工具软件，将光射线在第一镜面反射器和第二镜面反射器转换系统中的反射传播路径制图，清晰地表达出来；f)根据步骤e)的传播路径图，了解和掌握毫米波束在整个转换系统中的传播路径，若符合要求，即指导准光模式变换器反射镜曲面的设计和曲面修正，完成。所述步骤b)中的镜面 反射器的曲面形状为抛物面、柱面、椭球面、球面或双曲面。所述的回旋管准光输出系统的射线表示法，其所述步骤f)中，若步骤e)的传播路径图不符合要求，返回步骤b)，重新进行。所述的回旋管准光输出系统的射线表示法，其用于回旋管准光输出系统应用射线、回旋管准光谐振腔应用射线或光学器件应用射线的表示。本发明表示法，精确简单实用，成本低，可以指导准光模式变换器反射镜曲面的设计和曲面修正。
图I是一种内置准光模式变换器的回旋管；图2a_图2e是一面抛物面镜面反射器，用于演示回旋管准光输出系统的射线表示法在镜面反射器上的分步实施过程；其中图2a是应用CAD制图软件生成的抛物面镜面反射器；图2b是给出了由抛物面镜面反射器的光源(置于焦点O位置上)发出的一束光射线；图2c是经过光射线和抛物面镜面反射器的顶点存在一个平面，该平面与抛物面镜面反射器存在相交线，相交线为抛物曲线；过&点作基准面，同时基准面垂直于抛物曲线.图2d是以基准面为对称面，作光射线的镜像，则形成反射光线，至此完成了由光源(O点)发射的光线在抛物面镜面反射器上的一次反射过程；图2e是作另外的五条光射线(标示分别为11-15)及其相应的反射光线；图3是本发明的一种回旋管准光输出系统的射线表示法流程图。图中标号腔体-I辐射器-2 第一镜面反射器-3第二镜面反射器-4输出窗-5 微波束-6电子束-7光射线-8 反射光射线_8a相交线-9基准面-10五条光射线-11、12、13、14、15五条反射光线-Ila、12a、13a、14a、15a.
具体实施例方式本发明的一种回旋管准光输出系统的射线表示方法，是根据毫米波或亚毫米波的类光线特性，将从回旋管辐射器产生的毫米波束等效为光射线，将毫米波束在第一镜面反射器和第二镜面反射器上的传播特性等效为光射线在第一镜面反射器和第二镜面反射器上的光线传播过程；根据光学反射定律并借助于CAD制图工具软件可以将光射线在第一镜面反射器和第二镜面反射器转换系统中的反射传播路径清晰地表达出来，从而了解和掌握毫米波束在整个转换系统中的传播路径，用以指导准光模式变换器反射镜曲面的设计和曲面修正。下面将结合附图描述本发明的实施方案。图I是一种内置准光模式变换器的回旋管。该准光模式变换器包括一个辐射器和两个镜面反射器(镜面反射器的数量与输出窗处高斯波束的变换质量和模式转换效率有关)。在回旋管互作用腔体内高阶工作模式与回旋电子束相互作用产生高功率毫米波，毫米波由辐射器辐射发出，先后经镜面反射器3和镜面反射器4的反射调整，高阶模式分布的毫米波转换成高斯分布的毫米波，最后经由输出窗输送出去。根据毫米波或亚毫米波的类光线特性，将从辐射器产生的毫米波束在镜面反射器3和镜面反射器4组成的转换系统上的传播特性等效为光射线在该转换系统上的光线传播过程；根据光学反射定律并借助于CAD制图工具可以将光射线在转换系统中的反射传播路径清晰地表达出来，从而了解和掌握毫米波束在整个转换系统中的传播特性。为了说明回旋管准光输出系统射线表示法的实施过程，以一面镜面反射器是抛物曲面为例来演示光射线的传播过程。为了清楚地描述光射线形成及其制图描述的过程，采用了每个步骤每幅图的方式来阐述。图2a_图2e给出了根据光学反射定律并借助于CAD制图工具将由光源(置于焦点O位置上)发出的光射线在抛物面镜面反射器上的反射及制图过程。图2a是应用CAD制图软件生成的抛物面镜面反射器。图2b是给出了由抛物面镜面反射器的光源(置于焦点O位置上)发出的一束光射线8，光射线8与抛物面镜面反射器相交于a点。经过光射线8和抛物面镜面反射器的顶点存在一个平面，该平面与抛物面镜面反射器存在相交线9，相交线9为抛物曲线；过a点作基准面10，同时基准面10垂直于抛物曲线9，如图2c所示。以基准面10为对称面，作光射线8的镜像，则形成反射光线8a，至此完成了由光源(O点)发射的光线在抛物面镜面反射器上的一次反射过程，如图2d所示。同理，可以作另外的五条光射线(标示分别为11-15)及其相应的反射光线(标示分别为lla_15a)，如图2e所示。由图可以看出由于光源置于抛物面镜面反射器的焦点位置，因此反射光线(编号lla_15a)彼此平行，也就是说由焦点发出的光线，经过抛物面镜面反射器反射后的出射光线为平行光，从而也验证了该制图方法及过程的正确性。在图2a-图2e中入射光线虽然是由焦点发出，而在实际的准光模式变化器中镜面反射器的入射光线是以特定角度入射的光线(角度由辐射器确定)，但光线在镜面反射器上的反射及其制图过程与图2a-图2e完全相同，由镜面反射器反射出的光线为下一级镜面反射器上的入射光线，其反射及其制图过程也依然相同，因此图2a_图2e完全表述了回旋管准光输出系统的射线表示法。本发明的一种回旋管准光输出系统的射线表示法，流程如图3所示。包括步骤a)确定入射光线角度；b)选择两镜面反射器的曲面形状，该曲面形状为抛物面、柱面、椭球面、球面或双曲面；c)将第一镜面反射器、第二镜面反射器顺序放置于回旋管辐射器的输出光路上；d)依据从回旋管辐射器产生的毫米波束与光射线等效的原理，将毫米波束在第一镜面反射器和第二镜面反射器上的传播特性等效为光射线在第一镜面反射器和第二镜面反射器上的光线传播过程；
e)根据光学反射定律并用CAD制图工具软件，将光射线在第一镜面反射器和第二镜面反射器转换系统中的反射传播路径制图，清晰地表达出来；f)根据步骤e)的传播路径图，了解和掌握毫米波束在整个转换系统中的传播路径，若符合要求，即指导准光模式变换器反射镜曲面的设计和曲面修正，完成；若不符合要求，返回步骤b)，重新进行。·
权利要求
1.一种回旋管准光输出系统的射线表示法，其特征在于，包括步骤 a)确定入射光线角度； b)选择两镜面反射器的曲面形状； c)将第一镜面反射器、第二镜面反射器顺序放置于回旋管辐射器的输出光路上； d)依据从回旋管辐射器产生的毫米波束与光射线等效的原理，将毫米波束在第一镜面反射器和第二镜面反射器上的传播特性等效为光射线在第一镜面反射器和第二镜面反射器上的光线传播过程； e)根据光学反射定律并用CAD制图工具软件，将光射线在第一镜面反射器和第二镜面反射器转换系统中的反射传播路径制图，清晰地表达出来； f)根据步骤e)的传播路径图，了解和掌握毫米波束在整个转换系统中的传播路径，若符合要求，即指导准光模式变换器反射镜曲面的设计和曲面修正，完成。
2.如权利要求I所述的回旋管准光输出系统的射线表示法，其特征在于，所述步骤b)中的镜面反射器的曲面形状为抛物面、柱面、椭球面、球面或双曲面。
3.如权利要求I所述的回旋管准光输出系统的射线表示法，其特征在于，所述步骤f)中，若步骤e)的传播路径图不符合要求，返回步骤b)，重新进行。
4.如权利要求I所述的回旋管准光输出系统的射线表示法，其特征在于，所述回旋管准光输出系统的射线表示法用于回旋管准光输出系统应用射线、回旋管准光谐振腔应用射线或光学器件应用射线的表示。
全文摘要
本发明公开了一种回旋管准光输出系统的射线表示法，涉及微波技术，包括a)确定入射光线角度；b)选择两镜面反射器的曲面形状；c)将第一镜面反射器、第二镜面反射器顺序放置于回旋管辐射器的输出光路上；d)将毫米波束在第一镜面反射器和第二镜面反射器上的传播特性等效为光射线在第一镜面反射器和第二镜面反射器上的光线传播过程；e)将光射线在第一镜面反射器和第二镜面反射器转换系统中的反射传播路径制图；f)根据步骤e)的传播路径图，指导准光模式变换器反射镜曲面的设计和曲面修正，完成。本发明表示法，精确简单实用，成本低。
文档编号H01J9/00GK102956415SQ20111024972
公开日2013年3月6日 申请日期2011年8月29日 优先权日2011年8月29日
发明者耿志辉, 刘濮鲲, 顾伟, 粟亦农, 张世昌, 徐寿喜, 薛谦忠 申请人:中国科学院电子学研究所