CN1020987C - 准光学回旋管 - Google Patents

Abstract

在准光学回旋管中，按亥姆霍兹排列的两个线圈(3a；3b)能够产生与电子束轴线(2)平行的静磁场。其结果是，沿着平行于该磁场的电子束轴线(2)通过的电子，被迫作旋转运动并在准光学谐振腔内激励一个交变的电磁场。此谐振腔包括彼此相同排列在谐振腔轴线(5)上的两块反射镜(4a、4b)。谐振腔的轴线(5)与两线圈(3a，3b)，之间的电子束轴线(2)垂直。两反射镜所显现的相互距离要比电磁辐射半波长大得多。为了产生出宽频带辐射，至少要有一块反射镜(46)借助于振动器(10)，能以至少约为电磁辐射半波长的振幅作高频振动。

Description

本发明涉及用于产生毫米及亚毫米波段电磁辐射的准光学回旋管。在此准光学回旋管中，沿着电子束的轴线通过的电子，受到平行于该电子束轴线的静态磁场的作用，被迫使作旋转运动，并且在准光学谐振腔中激励一个交变的电磁场，以便从该谐振腔中能够耦合输出此电磁辐射。该谐振腔包括两块彼此相对放置在与电子束轴线垂直的谐振腔轴线上的反射镜。

上文提及的这种类型的准光学回旋管是公知的，例如可以从专利CH-664045中或者从H.G.Mathews，Minh    Quang    Tran的文章“Das    Gyrotron，SchlOssel-Komponente    for    Hoch-Leistungs-Mikrowellensender”（回旋管，高功率微波发射机用的关键元件）中了解到，参见布朗-包维瑞评述，1987.6.P.P303-307。这样的回旋管，可被用来产生频率范围一般高于100千兆赫的高功率电磁辐射。

所有上述已知的毫米及亚毫米波高功率源的特征在于，实质上它们都是工作在固定频率上，而且具有非常窄的带宽。例如，在准光学回旋管中，此带宽只有几兆赫。然而，在某些通信工程应用中（例如在所谓的“电子对抗”中）有时候就需要有效带宽为更宽的高频辐射。

举例来说，如果对于电磁通信线路的干扰或防止是至关紧要的话，那么借助于具有高功率然而却为固定频率的干扰发射器进行干扰就不能胜任。这是因为人们已经知道，通过***性的频率跳动就能避开这样的“干扰”

可是，如果借助干扰发射器就可能复盖更宽的频带，则上述频率跳动也必然会失效。

显然，本发明的目的之一，在于提供一种具有带宽较宽而且功率高的，普及的新型毫米波波源。

具体说来，本发明还有一个目的是使开头提及的这类准光学回旋管能够产生具有较宽带宽的毫米或亚毫米波形式的辐射。

本发明的目的是通过以下事实来达到的。即该准光学谐振腔的两块反射镜所显现的相互距离要比该电磁辐射的半波长大很多，而且要为高频提供能改变两反射镜间距离的装置，借以将此距离至少能变化约为半个电磁辐射波长。

此电磁辐射最好以脉冲的形式产生，其所具有的脉宽不大于约10毫秒。就此而论，此高频变距装置要工作在比脉宽倒数高得多的频率上。典型情况下则为脉宽倒数的倍数这样的数量级。

电磁辐射由谐振腔的一块反射镜耦合输出时比较有利。而这时的另一块反射镜是装在振动器上的，并且以不小于约为电磁辐射半波长的振辐在作运动。

对于某些实施例，如能提供两个振动器，也就是说每块反射镜有一个，就更为有利。在这种情况下，每个振动器工作的振辐相应约为该电磁辐射波长的四分之一。

为了更进一步增加该电磁辐射的平均带宽，还可以提供一个能够产生缓慢变化的辅助性磁场的装置，将其叠加在静磁场之上。

更为有利的实施例，可从相关的专利权利要求中得到。

作为对本发明的更好理解，结合附图参阅以下的详细描述，很容易就能更全面地了解本发明及其所伴随的许多优点，其中：

图1表示准光学回旋管的示意图，

图2a-2c表示所产生的电磁辐射频谱图。

在附图中所使用的参考符号及其意义均列在名称一览表中的简表中。从原则上说，相同部件具有同样的参考符号。

现在参见附图，其中图1表示用来解释本发明的准光学回旋管的基本部件。由电子枪（图中未表示）将譬如以环形电子束1形式的电子射入。此电子沿着电子束的轴线2通过，两个线圈3a和3b在电子束的轴线2上被安置在与其半径相应的称之为亥姆霍兹排列的距离上，由它们产生的静磁场方向与电子束的轴线2平行，迫使该电子作旋转运动。

一个准光学的谐振腔被安置在此两个线圈3a和3b之间。它由两块球面的圆形反射镜4a及4b组成，被相对安置在谐振腔的轴线5上。在这种布局中，谐振腔的轴线5与电子束的轴线2垂直。

该电子将在准光学谐振腔中激励一个交变的电磁场，以使所需要的微波能在两反射镜之一的4a上耦合输出，而此反射镜4a例如可以配有适合的为此目的用的环形耦合输出狭缝6，并且可以经过窗口7及波导8传导到负载上。显然，这两个线圈3a、3b，谐振腔以及电子束1都是处在容器9的高真空中的。

直到目前为止所描述的准光学回旋管的部件都是早已知道的（例如可从前面提到的Mathews及Tran的文章中知道），因而不需要任何进一步的解释。与此相反，对于高频改变两反射镜间距离用的装置则是新的，在下文中将加以解释。

谐振腔的两块反射镜4a，4b之间相互具有的距离为D。人们可以知道，正是这个距离D决定了在稳定状态情况下谐振腔可能具有的谐振频率。它是由下述条件给出的，即该距离D必须为此交变电磁场半波长的整数倍。按照本发明，此距离要比半个波长大得多。其结果是在谐振腔内可由电子同时激励出若干个相邻的谐振频率。

图2以频率范围表示这种状况。频率f沿其横座标绘出。上面提及的谐振条件将会导致出现大量的谐振频率fi，其中i＝1，2它在每一情况下所具有的频率间隔为df＝c/2D，其中C等于光的传播速度，并且具有非常窄的谐振宽度δf＝fi/Q（其中Q＝谐振腔的品质因数）。

在稳态工作情况下，谐振腔内一般存在单个稳固的振荡模，它作为可能的谐振频率fi之一发生振荡（例如i＝3）。然而它对于非稳定态的情况并不适用，这是因为模态的计算及试验表明，准光学回旋管是在“多模工作状态”下开始振荡的。因而在振荡一开始，谐振腔内就能同时激励若干个不同的谐振频率。在这个过程中，对应的振荡模好象具有彼此对立变化的能量。一般在振荡过程开始时大约有10个振荡模在竞争（也就是说fi，i＝1……，10）。

经过一定时间之后，此回旋管进入稳定态工作条件，其中的一个具有特定谐振频率的振荡模处于支配地位。

根据本发明，为了产生一个宽带的电磁辐射，这就要提供一个能高频改变两反射镜间距离D的装置。在图1所示的实施例中，要将两块反射镜之一的4b（最好是没有辐射耦合输出的那一块）装 在振动器10上。振动器10是固定的，例如可以固定在容器9上。它驱使反射镜4b在谐振腔的轴线5上作往复运动，其振幅相应约为半个波长。

振动器10的作用，可以参照图2a进行解释。非常窄的谐振频率f₁，f₂……f₆其位置是由两反射镜间距离D确定的，其在频谐轴线上往复移动，是由于距离D不断变化的结果。那么说，如果距离D变化半个波长，则谐振频率的每一个都频移一个df。因此，譬如说，假使在非稳定态工作下同时有六个频率f₁;……;f₆，在振荡，那么反射镜的振荡将会导致整个的B（Ho）频带被复盖。

此距离可以分别以高的速率或者高的频率加以改变。就此而论，并不绝对需要让此距离以预先确定的高频率产生变化。它在使反射镜发生任意的，周期性的或者其它随机性的振动的许多场合可能也都是有利的。在任何情况下由于各振荡模的能量变动，以致于所产生的电磁辐射将会按统计学方式复盖所需要的带宽B（Ho）。

按照最佳实施例，此准光学回旋管是以脉冲方式工作的，因此辐射是以脉冲的形式产生的，其所具有的脉宽不大于约10毫秒。所以振动器工作的振动频率要大大高于脉宽的倒数，即约为1/10毫秒＝100赫。以这样的脉冲方式工作，可能永远不会出现稳定条件。因而所产生的辐射总是显示最大的带宽B（Ho）。

振动频率最好是在几百赫至几千赫之间的范围内。在实际情况下，在确定振动频率方面，反射镜所需要的振幅大小和机械振动特性起重要作用。就此需要指出的是，相应的反射镜在低振动频率（数百赫）的情况下作随机运动比较有利。

自然，将反射镜4a及4b间距离至少高频变化半个波长，也可以通过自身安装有振动器的两块反射镜4a及4b中每一块来达到。那么两个振动器中的每一个工作的振幅，最好只为波长的四分之一。此本发明的第二实施例是合乎需要的，特别是如果要求有高的振幅。

已知的压电振荡器最好用作本发明的振动器。

按照本发明的进一步实施例，额外地提供一个能够产生缓慢变化的辅助磁场装置，其所具有的任务是对静磁场的场强加以调制，以使电子旋转运动的频率发生缓慢的变化，也就是说，由一个脉冲到另一个脉冲地缓慢变化，而且电磁辐射耦合输出的平均带宽额外地被加宽。因此，此辅助性磁场是叠加在静磁场上的。实质说来，其所具有的方向与静磁场相同，而且场强要比后者低。

图1借助实例表示产生辅助磁场的这些装置是如何提出的。两个辅助线圈11a和11b，按照亥姆霍兹排列方式被安置在谐振腔轴线5的两侧，与电子束的轴线2同轴。因而它们能在紧靠电子束轴线2的附近产生所需要的缓慢变化的辅助磁场，它基本上也是与电子束的轴线2平行的。

叠加的辅助磁场的作用，现在将参照图2a-2c加以解释。图2a表示当辅助磁场消失时该电磁辐射的频谱，也就是说磁场强度为Ho（静态磁场）。图2b表示当辅助磁场假定为+dH值时的频谱，就是说总的磁场强度为Ho+dH。由于磁场强度更强一些，所以电子旋转运动的频率将导致谐振腔中激励出更高的振荡模。带宽B（Ho+dH）被向上频移，例如现在包括了谐振频率f₃，……，f₈。另一方面，如图2c所示，假定辅助磁场为-dH值，那么带宽B（Ho-dH）就向下频移，因而就能激励出例如谐振频率f_-1……，f₄。总的说来，这就在平均规定时间之外额外地加宽了电磁辐射的带宽。

一般说来，辅助磁场不能够作足够迅速的改变，以使上述平均带宽展宽出现在一个单脉冲以内。然而从一个脉冲到另一个脉冲的移动是起作用的，并且能使所述带宽展宽平均为数个脉冲。一般这种展宽为带宽B（Ho）-就是说无辅助磁场时的带宽10～20%的数量级。

为了说明本发明的作用，还可以给出少量数字实例。在这里假定回旋管的电磁辐射所具有的平均频率（基本频率）为150千兆赫。那么，其在真空中的波长约为2毫米。两反射镜之间距离D＝400毫米，频率间隔为df＝0.375千兆赫。一般情况下，当有10个谐振频率开始振荡时，其带宽因而便为B（Ho）＝3.75千兆赫，它大约相当于平均频率150千兆赫的2.5%。因此，本发明所述的准光学回旋管能够产生毫米及亚毫米波，其带宽要比已有技术高至10³倍。

预先总是要假定距离变化约半个波长。显然，通过少量变化距离（比半波长小很多地）是不可能复盖住给定带宽的整个频谱区域的。而所替代的是存在一些空白的区间。然而在本发明的范围内改变 距离最为合适，譬如周期性地或者无规则地将其改变半个波长以上，因为这也就能复盖住整个带宽。

总之可以说，本发明能够创造一个毫米及亚毫米波的宽带高功率源，它特别适用在干扰发射机中。

显然，借助于上述教导，有可能对本发明作出大量改进及变换。因而应当理解，在所附的权利要求范围内，本发明可以不象此外具体描述的那样付诸实施。

名称-览表：

1.-电子束

2.-电子束轴线

3a，3b-线圈

4a，4b-反射镜

5.-谐振腔轴线

6.-耦合输出狭缝

7.-窗口

8.-波导

9.-窗口

10.-振动器

11a，11b-辅助线圈。

Claims (9)

1、一种用于产生毫米波及亚毫米波段电磁辐射的准光学回旋管，其中

a.沿电子束的轴线通过的电子，受平行于该电子束轴线的静磁场作用，被迫作旋转运动，而且

b.它在准光学谐振腔中激励一个交变的电磁场，以便能从该谐振腔中耦合输出该电磁辐射，而此谐振腔则包括两块彼此相对放置在与电子束轴线垂直的谐振腔轴线上的反射镜，其特征在于：

c.准光学谐振腔两块反射镜所显现的相互距离，要比该电磁辐射的半波长大很多，而且

d.提供能高频改变两反射镜间距离的装置，它至少能将该距离沿所述谐振腔轴线变化半个电磁辐射波长。

2、如权利要求1所述的准光学回旋管，其特征在于：

a.此电磁辐射以脉冲的形式产生，其所具有的脉宽不大于10毫秒，以及

b.此高频变距装置工作在为脉宽倒数的倍数的振动频率上。

3、如权利要求1所述的准光学回旋管，其特征在于，此高频变距装置包括一个能驱使谐振腔的反射镜沿谐振腔轴线运动的振动器，其所具有的振幅至少为电磁辐射波长的一半那样高。

4、如权利要求1所述的准光学回旋管，其特征在于，此高频变距装置对于谐振腔的两块反射镜中的每一块都有一个振动器，而每个振动器都能驱使谐振腔的对应反射镜沿谐振腔的轴线运行，每种情况下具有的振幅，至少为电磁辐射波长的四分之一那样高。

5、如权利要求3或4所述的准光学回旋管，其特征在于，该振动器为压电振荡器。

6、如权利要求1所述的准光学回旋管，其特征在于，该电磁辐射所显现的频率高于100千兆赫。

7、如权利要求1所述的准光学回旋管，其特征在于两反射镜相互间具有的距离，大于100个半波长。

8、如权利要求2所述的准光学回旋管，其特征在于，

a.静磁场是由按亥姆霍兹排列的与电子束的轴线同轴的两个线圈产生的;

b.谐振腔被安置在这两个线圈之间。

9、如权利要求1所述的准光学回旋管，其特征在于提供有能产生缓慢变化的辅助性磁场装置，该磁场被叠加在静磁场之上。