Mikrowellenfenster

Abstract

 Ein Mikrowellenfenster hoher Bandbreite weist mindestens eine Scheibe (4) auf, die entsprechend dem Brewster-Winkel gegenüber der Ausbreitungsrichtung (3) der Mikrowellen geneigt ist. Die für Mikrowellen transparente Scheibe hat planparallele, ebene Hauptflächen. Eine durch Ausbreitungsrichtung und Scheibennormale gebildete Ebene ist komplanar zur Polarisationsrichtung der Mikrowellen. Dieses Fenster eignet sich als Auskopplungsfenster für ein quasi-optisches Gyrotron oder als Eintrittsfenster einer Fusionskammer oder eines Mikrowellenkalorimeters.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft ein Mikrowellenfenster hoher Bandbreite für linear polarisierte Mikrowellen hoher Leistung, umfassend mindestens eine für Mikrowellen transparente Scheibe mit planparallelen, ebenen Hauptflächen.

Stand der Technik

[0002] Für den Einsatz von Mikrowellen für die Fusionsforschung ist es wünschenswert, die Quelle (Sender) in der Frequenz verändern zu können, ohne eine starke Leistungsreduktion in Kauf nehmen zu müssen. Diese Frequenzänderung soll auch schnell geschehen können, um möglicherweise auf physikalische Vorgänge im Plasma reagieren zu können.

[0003] Diese Bedingungen stellen hohe Anforderungen sowohl an die Mikrowellenerzeugung als auch an das Vakuumfenster der Mikrowellenröhre.

[0004] Das quasi-optische Gyrotron, wie es z.B. im Patent CH-664045 oder im Artikel "Das Gyrotron, Schlüsselkomponente für Hochleistungs-Mikrowellensender", H.G. Mathews, Minh Quang Tran, Brown Boveri Review 6-1987, pp. 303-307, beschrieben ist, hat bereits gezeigt, dass es über einen relativ weiten Bereich in der Frequenz abgestimmt werden kann.

[0005] Für das Mikrowellenfenster wird gefordert, dass es für die erwünschte Frequenz nicht reflektiert. Ausserdem sollte es auch für benachbarte Frequenzen reflexionsarm sein, um unerwünschte Oszillationen vermeiden zu können.

[0006] Aus dem Bericht "Entwicklung der technologischen Grundlagen eines hochbelastbaren Auskoppelfensters für ein 200 kW Langpulsgyrotron bei 140 GHz", Rudolf Bachmor, ITG-Fachbericht Vakuumelektronik und Displays der ITG-Fachtagung vom 8. bis 10. Mai 1989, ist beispielsweise ein kühlbares Doppelscheibenfenster bekannt. Dieses Doppelfenster besteht aus zwei Keramikscheiben, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen stehen und z.B. von einer Kühlflüssigkeit gekühlt werden. Es bildet also ein Fabry-Perot Resonator, dessen Frequenz bekanntlich vom Abstand der Scheiben abhängt. Die Dicke der Scheibe wird üblicherweise so gewählt, dass das Fenster insgesamt für die Hauptfrequenz reflexionsfrei arbeitet. Für jede andere gewünschte Frequenz wird der Scheibenabstand auf optimale Transmission eingestellt.

[0007] Dieses Prinzip funktioniert für praktisch jeden Mode im Hohlleiter, im eingeschränkten Mass sogar für Modengemische. Der Nachteil dieser Lösung ist jedoch, dass die Frequenzanpassung mechanisch und daher langsam erfolgt.

[0008] Ein breitbandiges Fenster ist das sog. Mottenaugenfenster. Die das Fenster bildende Keramikscheibe steht senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen. Die Oberfläche der Keramik ist jedoch mit Pyramiden versehen, die eine Impedanzanpassung erzeugen. Die Höhe dieser Pyramiden entspricht mindestens einem Viertel der Wellenlänge der erwünschten Mittenfrequenz. Auf diese Weise ist es gelungen, ein Fenster mit relativ grosser Bandbreite zu bauen.

[0009] Dieses Prinzip funktioniert ebenfalls modenunabhängig. Allerdings ist der Aufwand zur Herstellung solcher Fenster sehr gross. Unbekannt ist ferner das Verhalten der Keramik-Spitzen bei sehr hohen Feldstärken, wo im allgemeinen mit Ueberschlägen zu rechnen ist.

Darstellung der Erfindung

[0010] Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Mikrowellenfenster der eingangs genannten Art anzugeben, welches gute Durchlasseigenschaften über einen grossen Frequenzbereich hinweg aufweist und die beim Stand der Technik vorhandenen Probleme vermeidet.

[0011] Erfindungsgemäss besteht die Lösung darin, dass die Scheibe gegenüber einer Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen geneigt ist und zwar so, dass der Winkel zwischen Ausbreitungsrichtung und Scheibennormalen dem Brewster-Winkel α_B entspricht und eine durch Ausbreitungsrichtung und Scheibennormale gebildete Ebene komplanar zur Polarisationsrichtung der Mikrowellen ist.

[0012] Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die lineare Polarisation der Mikrowellen, die oft schon durch die Erzeugung grundsätzlich bedingt ist (wie z.B. beim quasi-optischen Gyrotron) ausgenützt wird, um mit dem bekannten Brewster-Prinzip optimal zusammenzuwirken. Es ist natürlich durchaus denkbar, die Mikrowellen erst nach ihrer Erzeugung zwangsweise linear zu polarisieren. Der Vorteil der Erfindung kommt aber vorallem dann zum Tragen, wenn die eintreffenden Wellen "natürlicherweise" linear polarisiert sind, wenn also schon die im Strahlengang vorhergehende Komponente resp. die Mikrowellenröhre von selbst die Polarisation mit sich bringt.

[0013] Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Frequenzabhängigkeit der Transmission des Fensters vom Prinzip her nicht besteht. Höchstens eine Frequenzabhängigkeit der Brechungsindizes der Medien kann sich auf die Bandbreite auswirken. Diese ist aber im interessierenden Frequenzbereich vernachlässigbar klein.

[0014] Der Brewster-Winkel α_B = arctan n₂/n₁ liegt bei den interessierenden Materialien typischerweise zwischen gut 50° und gut 75°. Saphir mit einem Brechungsindex von n₂ = 3.4 verlangt (gegenüber Vakuum) einen Neigungswinkel von etwa 74°. Bei Teflon mit n₂ = 1.45 ist α_B = 55°. Keramiken bewegen sich im wesentlichen in diesem Bereich.

[0015] Vorzugsweise umfasst das Mikrowellenfenster zwei parallele Scheiben, die von einer Kühlflüssigkeit gekühlt werden. Diese Ausführungsform ist vorallem für hohe Leistungen geeignet.

[0016] Gemäss einer besonders einfachen Ausführungsform weist das Fenster genau eine Scheibe auf. Damit liegt eine für niedere und mittlere Leistungen geeignete Variante vor, die weniger aufwendig und kostengünstiger ist.

[0017] Falls eine Kühlung auch beim Einscheibenfenster gewünscht wird, dann werden vorzugsweise Kühlrippen vorgesehen, die senkrecht zur Polarisationsrichtung ausgerichtet sind (siehe Schweizer Patentanmeldung CH-2314/89-2).

[0018] Die Scheibe kann ellipsenförmig oder kreisrund sein. Grundsätzlich ist die Schnittfigur zwischen einem Zylinder (Wellenleiter) und einer zur Zylinderachse geneigten Ebene (Scheibenebene) eine Ellipse. Aus konstruktiven Ueberlegungen kann es aber durchaus auch wünschenswert sein, ein kreisrundes Fenster einzusetzen. Für eine optimale Transmission müsste dann der Radius der runden Scheibe der grossen Halbachse der Schnittfigur entsprechen. Im quasi-optischen Fall, d.h. wenn die Mikrowellen nicht vom Wellenleiter geführt sind, sondern sich nahezu unter Freiraumbedingungen ausbreiten, mag aber auch ein geringerer Radius (vorzugsweise grösser als die kleine Halbachse) genügen.

[0019] Das erfindungsgemässe Mikrowellenfenster eignet sich besonders gut als Austrittsfenster eines quasi-optischen Gyrotrons. Dieses produziert nämlich vom Prinzip her bereits linear polarisierte Mikrowellen im Millimeter- und Submillimeterbereich.

[0020] Weitere Anwendungen ergeben sich im Zusammenhang mit dem Verbraucher. Im Bereich der Fusionsforschung sind Fusionskammern (z.B. Tokamak) und Mikrowellenkalorimeter typische Verbraucher.

[0021] Ein weitere Anwendungsbeispiel ist das Fenster nach einem Vlasov-Konverter. Dieser wandelt einen geführten Mode in eine linear polarisierte Gauss'sche Welle um.

[0022] Aus der Gesamtheit der abhängigen Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0023] Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung der Scheibe und der Brewster'schen Geometrie;

Fig. 2 ein Einscheibenfenster mit Kühlrippen; und

Fig. 3 ein Doppelscheibenfenster.

[0024] Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammenfassend aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0025] Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemässes Fenster, wie es z.B. in einem quasi-optischen Gyrotron zum Einstz kommt. Bei einem solchen Gyrotron wird in einem quasi-optischen Resonator, welcher im wesentlichen durch zwei einander gegenüberliegende Spiegel gebildet ist, ein elektromagnetisches Wechselfeld angeregt. In Fig. 1 ist der eine der beiden Spiegel 1 und die Gefässwand 2 des Gyrotrons gezeigt. Die übrigen Teile des Gyrotrons sind aus dem eingangs zitierten Stand der Technik hinlänglich bekannt. Eine detailierte Beschreibung erübrig sich an dieser Stelle.

[0026] Die aus dem Resonator ausgekoppelten Mikrowellen sind linear polarisiert. Sie laufen entlang einer Ausbreitungsrichtung 3 auf das Mikrowellenfenster zu, welches das evakuierte Röhrengefäss des Gyrotrons gegen aussen (z.B. Wellenleiter 5) abschliesst.

[0027] Das Mikrowellenfenster umfasst eine für Mikrowellen transparente Scheibe 4, welche gegenüber der Ausbreitungsrichtung 3 geneigt ist. Der Winkel α_B zwischen einer Scheibennormalen n und der Ausbreitungsrichtung 3 entspricht dem Brewster Winkel, d.h. es gilt α_B = arctan n₂/n₁. Dabei ist n₂ der Brechungsindex des Scheibenmaterials und n₁ derjenige des die Scheibe umgebenden Mediums, im vorliegenden Fall des Vakuums, d.h. n₁ = 1.

[0028] Das erfindungsgemässe Mikrowellenfenster zeichnet sich auch aus durch die Tatsache, dass die verwendete Scheibe planparallele Hauptflächen aufweist. Es ist also keine Oberflächenstruktur erforderlich wie beispielsweise beim Mottenaugenfenster. Es können somit auch keine Ueberschläge auftreten.

[0029] Die einfallenden Mikrowellen sind linear polarisiert. Der elektrische Feldvektor E steht komplanar zu einer Ebene, die durch die Scheibennormale n und die Ausbreitungsrichtung 3 aufgespannt wird.

[0030] Als Scheibenmaterial eignet sich z.B. Saphir mit einem Brechungsindex n₂ ≈ 3.4. Für den Neigungswinkel ergibt sich α_B = 74°. Ebenfalls bevorzugt ist ein unter dem Handelsnamen Teflon allgemein bekanntes Material. Aufgrund des Brechungsindexes von n₂ ≈ 1.45 ergibt sich α_B = 55°. Auch Keramiken sind bei der Erfindung verwendbar.

[0031] Typischerweise liegen die Winkel zwischen 50° und 75°, d.h. sie sind relativ gross. In bezug auf die Form ist es deshalb vorteilhaft, die Scheibe ellipsenförmig zu auszubilden (entsprechend der Schnittkurve zwischen im allg. runder Gefässwand 2 und Scheibenebene). Die Fläche der Scheibe ist damit nicht grösser als nötig, was sich positiv auf ihre mechanische Stabilität auswirkt.

[0032] Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemässes Mikrowellenfenster mit Kühlrippen 6.1,...,6.3. Die transparente Scheibe zerfällt in mehrere Teilscheiben 4.1,..,4.4. Die Kühlrippen 6.1,...,6.3 sind z.B. Metallrohre und verleihen der Scheibe eine höhere Stabilität. Sie sind senkrecht zum elektrischen Feldvektor E (Polarisationsrichtung) ausgerichtet. Aus diesem Grund werden sie von der Mikrowellenstrahlung nicht "gesehen".

[0033] Aus der Schweizer Patentanmeldung CH-2314/89-2 sind weitere vorteilhafte Ausführungsformen für Kühlrippen zu entnehmen. Zu diesem Zweck soll die genannte Patentanmeldung als in dieser Beschreibung eingeschlossen gelten.

[0034] Fig. 3 schliesslich zeigt ein Mikrowellenfenster, welches zwei parallele Scheiben 7.1 und 7.2 aufweist. Sie sind entsprechend dem Brewsterwinkel geneigt. Zwischen den beiden Scheiben 7.1, 7.2 strömt eine Kühlflüssigkeit 8 hindurch.

[0035] In der Praxis ist der Abstand der beiden parallelen Scheiben 7.1, 7.2 geringer als deren Dicke. Der Vorteil im geringen Abstand besteht in der entsprechend hohen Fliessgeschwindigkeit des Kühlmittels. Für das Doppelscheibenfenster gilt im übrigen das, was bereits im Zusammenhang mit dem Einscheibenfenster gesagt worden ist. Natürlich erübrigt sich in diesem Fall eine Kühlung durch Kühlrippen.

[0036] Das erfindungsgemässe Fenster lässt sich überall dort mit Vorteil einsetzten, wo linear polarisierte Mikrowellen auftreten. Insbesondere kann es als Eintrittsfenster für Verbraucher verwendet werden. Als Beispiel sei das Kalorimeter genannt. Ein anderer Anwendungsfall ist die Fusionskammer (z.B. Tokamak), und zwar dann, wenn eine HE₁₁-Welle eingestrahlt wird. Schliesslich eignet sich die Erfindung auch für einen Vlasov-Koppler, wie er z.B. aus "An X-Band Vlasov-Type Mode Convertor", B.G. Ruth et al., 13th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves, 5-9 Dec 1988, pp. 119-120, bekannt ist.

[0037] Zusammenfassend kann gesagt werden, dass mit der Erfindung ein echt breitbandiges Fenster geschaffen worden ist. Eine Einschränkung der Bandbreite ergibt sich höchstens durch die Frequenzabhängigkeit der Brechzahlen der Scheiben, welche aber in der Praxis vernachlässigbar klein ist. Zu beachten ist ferner, dass der Aufwand für die Herstellung relativ gering ist und die technische Realisierbarkeit sichergestellt ist, da auf die bekannte Fenstertechnologie zurückgegriffen werden kann.

Bezeichnungsliste

[0038] 1 - Spiegel; 2 - Gefässwand; 3 - Ausbreitungsrichtung; 4 - Scheibe; 4.1,..,4.4 - Teilscheiben; 5 - Wellenleiter; 6.1,...,6.3 - Kühlrippen; 7.1, 7.2 - Scheibe; 8 - Kühlflüssigkeit; E - elektrischer Feldvektor; n - Scheibennormale; n₁, n₂ - Brechungsindizes.

Ansprüche

1. Mikrowellenfenster hoher Bandbreite für linear polarisierte Mikrowellen hoher Leistung, umfassend mindestens eine für Mikrowellen transparente Scheibe mit planparallelen, ebenen Hauptflächen, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe gegenüber einer Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen geneigt ist und zwar so, dass der Winkel zwischen Ausbreitungsrichtung und Scheibennormalen dem Brewster-Winkel α_B entspricht und eine durch Ausbreitungsrichtung und Scheibennormale gebildete Ebene komplanar zur Polarisationsrichtung der Mikrowellen ist.

2. Mikrowellenfenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen Ausbreitungsrichtung und Scheibennormalen zwischen 50° und 75° liegt.

3. Mikrowellenfenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es zwei parallele Scheiben umfasst, die von einer Kühlflüssigkeit gekühlt werden.

4. Mikrowellenfenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es genau eine Scheibe umfasst.

5. Mikrowellenfenster nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe Kühlrippen umfasst, welche senkrecht zur Polarisationsrichtung ausgerichtet sind.

6. Mikrowellenfenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Scheibe kreisförmig ist.

7. Mikrowellenfenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Scheibe elliptisch ist.

8. Quasi-optisches Gyrotron, bei welchem Mikrowellen in einem aus zwei einander gegenüberliegenden Spiegeln gebildeten quasi-optischen Resonator angeregt werden, gekennzeichnet durch ein Mikrowellenfenster nach Anspruch 1.

9. Mikrowellenfenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es das Eintrittsfenster eines Verbrauchers ist.

Zeichnung