一種新型的快速轉動高功率電子迴旋波發射天線的製作方法

2023-05-04 04:45:01 1

本實用新型屬於等離子體加熱領域，具體涉及一種新型的快速轉動高功率電子迴旋波發射天線。

背景技術：

高功率毫米波在聚變研究中的應用，其目的是為了提高等離子體的溫度，波與等離子體相互耦合效率的高低是衡量毫米波系統性能的重要指標之一。電子迴旋天線是高功率毫米波從波源(迴旋管)輸出經傳輸線到達等離子體所需要的媒介，天線的機械結構和工作性能直接決定了電子迴旋共振加熱系統加熱和驅動的效果，決定了是否能夠有效開展相關的物理實驗。新型天線的設計旨在保證大功率毫米波傳輸的穩定性和可靠性，實現天線發射角度快速實時轉動，從而實現對新經典撕裂模等磁流體不穩定性進行實時反饋控制的目的。

現有技術中的電子迴旋共振加熱系統發射天線，只能手動控制反射平面鏡轉動，響應速度慢、精度低，無法快速改變微波入射角度，從而無法在等離子體放電期間實時控制電子迴旋波的功率沉積位置。此外，隨著電子迴旋系統規模的擴大，利用一個天線發射多束微波，需要設計大功率容量的發射天線。

本案例中所涉及的新型發射天線需要兼顧滿足以下技術要求：

(1)具有快速驅動機構，實現對微波注入角度快速可控，從而在等離子體放電期間實時控制電子迴旋波的功率沉積位置；

(2)具有遠程控制功能，在控制室可實現對入射角度的設定，並嵌入到ECRH的總體控制系統中。

技術實現要素：

本實用新型針對目前聚變研究裝置電子迴旋共振加熱系統規模日益擴大但託卡馬克窗口資源有限的現況，研製了一種新型的快速轉動高功率電子迴旋波發射天線，兼顧了以上各項技術要求，同時將4束高功率微波注入等離子體，且可實現微波注入角度在環向與極向兩個方向上互不幹擾的改變，角度控制可靠平滑、定位精度高、極向轉動速度快，解決以往電子迴旋共振加熱系統無法快速有效控制電子迴旋波沉積位置的問題，提供一種可發射多束微波的集束式發射天線系統。

一種新型的快速轉動高功率電子迴旋波發射天線，包括真空密封箱、和與真空密封箱密封連接的外盲板、外盲板上的四個真空密封窗口、放置在真空密封箱內部的2個反射平面鏡和上下兩組共4個反射聚焦鏡，所述真空密封箱內部設置有可以控制反射平面鏡轉動的平面鏡轉動機構，所述真空密封箱外部，在外盲板上設置有轉動驅動機構；所述反射聚焦鏡的鏡面採用橢球設計，根據高斯波束的傳輸特性使得經過反射的束腰位置在等離子體中心處，束腰大小為20mm。

一種新型的快速轉動高功率電子迴旋波發射天線，所述真空密封箱一端通過埠法蘭直接與託卡馬克真空室窗口法蘭對接，另一端通過固定在天線外盲板上的微波密封窗口與電子迴旋傳輸線對接。

一種新型的快速轉動高功率電子迴旋波發射天線，所述外盲板中心位置設置有一個貫穿孔，貫穿孔上下各設置一組真空密封窗口，每組有兩個真空密封窗口。

一種新型的快速轉動高功率電子迴旋波發射天線，所述每組真空密封窗口的水平高度相同，所述微波密封窗口的內徑是根據微波的頻率相匹配。

一種新型的快速轉動高功率電子迴旋波發射天線，所述反射平面鏡設置在真空密封箱內的中心位置，成折型布置，每個反射平面鏡具有兩個反射面。

一種新型快速轉動高功率電子迴旋波發射天線，所述2個反射平面鏡分別與上下兩組反射聚焦鏡鏡面平行布置。

一種新型的快速轉動高功率電子迴旋波發射天線，所述反射聚焦鏡分為上下兩組，設置在反射平面鏡5的正上方和正下方。

一種新型的快速轉動高功率電子迴旋波發射天線，所述反射聚焦鏡為橢球鏡面，與微波傳輸方向呈45度。

一種新型的快速轉動高功率電子迴旋波發射天線，所述平面鏡轉動機構位於反射平面鏡與外盲板之間；所述的平面鏡轉動機構由環向拉絲、調節彈簧、導向機構以及極向推桿組成。

一種新型的快速轉動高功率電子迴旋波發射天線，所述轉動驅動機構通過支撐架安裝在外盲板外側，位於上下兩組微波密封窗口的中間；所述轉動驅動機構由四根金屬真空波紋管組件、四根螺紋驅動杆、四根軸向固定杆，四個驅動電機；並採用邏輯控制單元PLC通過編碼器及控制器發指令給驅動電機驅使其轉動，驅動電機根據指令信息帶動螺紋驅動杆作往復直線運動。

本實用新型的有益效果在於：

(1)微波注入角度在環向與極向兩個方向上互不幹擾的改變，角度控制可靠平滑、定位精度高、極向轉動速度快；

(2)可以實現微波環向與極向注入角度同時遠程可控；

(2)極向角度轉動的響應速度可以滿足等離子體放電期間的實時控制要求，為實現新經典撕裂模實時反饋控制提供了硬體基礎；

附圖說明

圖1是天線真空密封箱及內部部件示意圖

圖2是天線外盲板及外部傳動機構示意圖

圖3是天線平面鏡環向與極向轉動機構示意圖

圖4是天線聚焦鏡設計示意圖

圖5是天線極向轉動0.1度時的時間響應曲線圖

圖中，1、真空密封箱；2、外盲板；3、微波密封窗口；4、反射聚焦鏡；5、反射平面鏡；6、平明鏡轉動機構；7、轉動驅動機構；8、金屬真空波紋管組件；9、環向拉絲；10、調節彈簧；11、導向機構；12、極向推桿；13、螺紋驅動杆；14、軸向固定杆；15、驅動電機；16、支撐架。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本實用新型的一種新型的快速轉動高功率電子迴旋波發射天線進行詳細說明。

如圖1、2所示，本實用新型的一種新型的快速轉動高功率電子迴旋波發射天線，由以下主要部件構成：真空密封箱1，所述真空密封箱1一端通過埠法蘭直接與託卡馬克真空室窗口法蘭對接，一端通過固定在天線外盲板2上的微波密封窗口與電子迴旋傳輸線對接；所述真空密封箱1用於將高功率微波發射部件封裝在真空室內，將電子迴旋系統傳輸線傳輸過來的高功率微波注入等離子體；所述高功率微波發射部件包括：反射聚焦鏡4和反射平面鏡5組成。所述真空密封箱1是託卡馬克裝置窗口的延伸，用於容納反射聚焦鏡4、反射平面鏡5以及平面鏡轉動機構6。其內部空間與裝置主真空室相連，在工作狀態下其內部為真空。

本實施例中設置有4個反射聚焦鏡4，反射聚焦經4分為上下兩組，設置在反射平面鏡5的正上方和正下方，每條微波波束各對應一個反射聚焦鏡4，所述反射聚焦鏡4的鏡面為橢球面，用於聚焦高斯波束，便於定域加熱和驅動等離子體，所述高斯波束是從傳輸線傳輸到反射聚焦鏡面4上的；反射聚焦鏡4鏡面與微波傳輸方向呈45度。

在真空密封箱1內部正中心位置設置有2個折型布置的反射平面鏡5，所述2個反射平面鏡5共有4個反射平面，用於改變微波注入角度，使微波沉積於不同的等離子體區域；所述反射平面鏡5鏡面與反射聚焦鏡4鏡面平行。

真空密封箱1內部設置有4套平面鏡轉動機構6，平面鏡轉動機構6位於反射平面鏡5與外盲板2之間，用於實現平面鏡的轉動；所述的平面鏡轉動機構6由環向拉絲9、調節彈簧10、導向機構11以及極向推桿12組成。具體的實施方案為：環向拉絲9及極向推桿12通過導向結構11，轉化為平面鏡繞極向與環向轉軸的轉動，從而實現微波注入角度的改變；反射平面鏡5環向轉動採用環向拉絲9拉動的驅動方式，所述環向拉絲9一端連接在平面反射鏡5上通過兩個固定在環向轉動軸上的滑輪連接到金屬真空波紋管組件8內部的傳動杆上，拉動環向拉絲9時使反射平面鏡5圍繞轉軸旋轉，鬆開環向拉絲9時則由調節彈簧10推動反射平面鏡5反方向旋轉。該轉動機構結構緊湊，所需空間小，線性度好，但是響應速度慢，僅能夠在不需要實時反饋控制的環向角度轉動下適用。

反射平面鏡5極向方向的轉動通過極向推桿12實現，這種方式轉動響應速度快，且同時提高了上下兩束波束的極向轉動範圍，使不同實驗要求下電子迴旋共振加熱的可近性增強。該種驅動方式的缺點在於，由於轉軸存在安裝空隙，使得在極向正反向旋轉時的角度定位存在差異，但是通過本實施例在結構上的優化使得這種差異非常細微，能夠滿足實驗中微波沉積位置控制在定位精度上的要求；本實用新型案例中環向與極向轉動兩種不用驅動方式的選用，解決了在有限空間內環向與極向轉動互不幹擾轉動的問題，且保證兩個防線的轉動平滑無死點，能夠充分滿足各種電子迴旋加熱實驗需求。

本實施例中設置有一個外盲板2，用於實現真空密封箱1的真空密封；外盲2板通過螺釘與真空密封箱1密封連接；所述外盲板2正中心設置有通孔，用於驅動機構穿過外盲板2與真空密封箱1內平面鏡轉動機構6相連。

所述外盲板2與真空密封箱1相連接的一側為內側，另外一側為外側，外盲板2上設置有通過螺釘連接的上下兩組共4個微波密封窗口3，每組有兩個微波密封窗口3，一組中的兩個微波窗口3布置在一條水平線上，每個微波密封窗口3可透射一束68GHz/0.5MW/1s微波，所述微波密封窗口3的內徑是根據微波的頻率相匹配，並實現與傳輸線的真空隔離；所述傳輸線是用來將電子迴旋系統發射的高功率微波傳輸到天線的部件。

本實施例中設置有1個轉動驅動機構7，安裝在外盲板2外側，位於上下兩組微波密封窗口3的中間，驅動平面鏡轉動機構6轉動。所述轉動驅動機構7由四根金屬真空波紋管組件8、四根螺紋驅動杆13、四根軸向固定杆14，四個驅動電機15以及一個支撐架16組成。所述軸向固定杆14用於使螺紋驅動杆13沿固定軸向做直線移動，而不產生方向偏移；支撐架16用於將驅動機構7固定在外盲板上2；由於託卡馬克裝置為超高真空及需要長時間的烘烤，因此採用金屬真空波紋管組件8作為真空動密封組件，該種密封形式密封可靠且耐烘烤。

邏輯控制單元PLC通過編碼器及控制器發指令給驅動電機15驅使其轉動，驅動電機15根據指令信息帶動螺紋驅動杆13作往復直線運動，該控制模式靈活、穩定、抗幹擾能力強、響應速度快。

電子迴旋系統傳輸線波導輻射出來的微波，在自由空間中近似為基模高斯束，為發散波束。反射聚焦鏡4是將發散的微波波束束聚焦的器件，電子迴旋共振加熱物理實驗要求在電子迴旋共振層處微波束半徑儘可能小，即功率沉積的局域性好。反射聚焦鏡4的設計首先需要確定焦點位置，再根據基摸高斯束在自由空間中的傳播規律，確定反射聚焦鏡4的反射鏡面曲面結構。本案例中的天線採用了準光學方法對反射聚焦鏡4進行設計，鏡面為橢球鏡面。按照高斯束在橢球聚焦鏡上的反射特性，當束腰半徑為ω0′的高斯束入射到距束腰的距離為l'的球面反射鏡時，反射後的高斯束束腰半徑ω0′和束腰到球面反射鏡的距離l'分別為：

f＝πω20/λ

由上式可見，改變F或者l'都可以改變高斯束的束腰和束腰到球面鏡的距離。當高斯束的入射角為θ時，反射聚焦鏡4橢球面方程為：

R＝2Fcosθ

其中，a，b分別為反射聚焦鏡4橢圓剖面的短半軸和長半軸，為反射聚焦鏡4的焦距，為反射聚焦鏡4的橢球面的短半軸，h0為反射聚焦鏡4剖面離橢球鏡頂點的距離。本實施例中的天線將反射聚焦鏡4的焦點選擇在託卡馬克裝置環向橫截面中心處，θ為高斯光束入射角45°，入射波束束腰位于波導口處(束腰半徑為ω0＝0.42r，r為波導內半徑80mm)，優化設計後對應的反射聚焦鏡4的曲面方程為：

波束經反射聚焦鏡4和反射平面鏡5反射後傳播到裝置環向橫截面中心處，微波功率密度降為中心值的1/e的波束半徑為20mm。

本實施例的具體實施方式如下：高功率微波經微波密封窗口3透射後，經反射聚焦鏡4及反射平面鏡5反射後注入託卡馬克真空室內的等離子體；平面反射鏡5極向方向的轉動通過極向推桿12實現，環向方向轉動通過環向拉絲9實現，平面鏡轉動機構6的轉動通過轉動驅動機構7來實現；通過上述方法，極向方向可以實現快速高精度的轉動，且不幹擾環向方向的轉動，可以實現極向方向的轉動的實時控制，從而實時控制電子迴旋波的功率沉積位置。