CN103995159A - 一种高功率长脉冲电子回旋加热共振系统假负载 - Google Patents

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本发明涉及一种高功率长脉冲电子回旋加热共振系统假负载，其特征在于：包括中空圆柱体；中空圆柱体轴向的一端为微波输入端口，中空圆柱体轴向的另一端设置有反射镜，反射镜为弯向中空圆柱体内部的凸镜，凸镜曲面中心处设有一凸起；中空圆柱体内壁盘旋缠绕有内部水路，内部水路与设置在中空圆柱体外部的外部水路连接。凸镜的曲率半径为216.3mm，凸起的曲率半径为28.75mm，凸起的高度为7.86mm。本发明可以满足高功率长脉冲电子回旋共振加热系统微波功率测量要求，功率容量为500kW/3s，而且结构简单。

Description

一种高功率长脉冲电子回旋加热共振系统假负载
技术领域
本发明涉及一种高功率长脉冲电子回旋加热共振系统假负载，特别是涉及一种涉及等离子体加热中电子回旋共振加热系统输出功率测量和标定所需的功率容量为500kW/3s的假负载，频率为50-170GHz。 
背景技术
在受控核聚变研究领域，为了使等离子体温度达到点火温度，必须采用辅助加热手段，从而实现可以控制的核聚变反应。电子回旋共振加热（ECRH）因其具有加热效率高、系统灵活、局域加热及可控性强等特点，被广泛的用于聚变研究。 
电子回旋共振加热系统中，为了更准确的描述电子回旋波对等离子体的加热和电流驱动等效果，需要对系统的微波功率进行测量和标定。HL-2A装置上单套ECRH系统的微波特点是功率高且脉宽长（功率500kW及以上，脉宽3s），导致微波功率的直接测量难度较大，需要将微波能量转换成其它形式的能量再进行测量，常用的做法是将微波能量转换成水的热能，再通过量热法进行测量。因此，需要研究用于高功率长脉冲电子回旋共振加热系统的假负载，将微波能量转换成水的热能。 
假负载需要满足以下要求：(1)功率容量大，能够满足功率500kW，脉宽3s微波功率测量要求；(2)能量转换效率高，能将微波能量高效的转换成水的能量，以保证测量精度。 
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种针对电子回旋共振加热系统微波功 率测量和标定的要求，能够满足高功率长脉冲微波功率测量要求且能量转换效率高的，使测量系统能够准确的测量微波功率的假负载。 
为解决上述技术问题，本发明一种高功率长脉冲电子回旋加热共振系统假负载，其特征在于：包括中空圆柱体；中空圆柱体轴向的一端为微波输入端口，中空圆柱体轴向的另一端设置有反射镜，反射镜为弯向中空圆柱体内部的凸镜，凸镜曲面中心处设有一凸起；中空圆柱体内壁盘旋缠绕有内部水路，内部水路与设置在中空圆柱体外部的外部水路连接。 
凸镜的曲率半径为216.3mm，凸起的曲率半径为28.75mm，凸起的高度为7.86mm。 
中空圆柱体轴向长度为1517mm，中空圆柱体的外直径为276mm。 
内部水路为4组，每组水路各设有一个进水口和一个出水口，4个进水口与外部水路的进水管连接，4个出水口与外部水路的出水管连接。 
内部水路的水管为聚四氟乙烯水管。 
中空圆柱体的材料为不锈钢。 
本发明可以满足高功率长脉冲电子回旋共振加热系统微波功率测量要求，功率容量为500kW/3s，而且结构简单。 
附图说明
图1为本发明所提供的一种高功率长脉冲电子回旋加热共振系统假负载的示意图。 
图2为凸镜的示意图。 
图中：1为微波输入端口，2为中空圆柱体，3为外部水路，4为内部水路，5为反射镜。 
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。 
假负载的结构如图1所示，包括中空圆柱体2；中空圆柱体2轴向的一端与传输系统导波元件相连，作为微波输入端口1。导波元件与微波输入端口1通过专门设计的过渡段实现无缝连接。中空圆柱体2轴向的另一端通过螺钉固定有反射镜5；中空圆柱体2内壁盘旋缠绕有内部水路4，内部水路4与设置在中空圆柱体2外部的外部水路3连接。 
微波输入端口1通过特殊设计的过渡段与传输系统的导波元件波纹波导相连，从而接受从电子回旋共振加热系统波源器件回旋管输出的微波，进而进行微波功率测量；中空圆柱体保证了微波在自由空间的传播，圆柱体的尺寸可以保证微波在传播到反射镜之前不与圆柱体内壁接触；水路分为内部水路4和外部水路3，内部水路4缠绕在整个圆柱体内壁以保证微波能量的充分系统和防止微波泄漏，外部水路3作为水的输入和输出端，保证能量及时被水带走；反射镜5可以使微波波束发散，从而降低微波功率密度，同时发散的微波将传播到假负载内壁，能量被缠绕在内壁的水管吸收，转换成水的热能。 
假负载设计过程中，为确定假负载的尺寸和反射镜的曲面设计，需要分析微波在自由空间的传播特性。本例中，回旋管输出微波频率为68GHz，导波元件为波纹波导，微波在波纹波导内的传输模式为混合模HE11模。HE11模在自由空间的传播可以用近似用高斯模的传播来表示，如图2所示。其中，横坐标Z为微波传播方向（轴向），r为径向方向，空间某一点（Z,r）处微波的强度用色彩表示。从图2可知，在Z=0处微波功率基本集中在中心r=0附近，随着Z的增大，微波功率逐渐发散。在设计假负载的过程中，需要根据微波的传输特性，通过设计合理的圆柱体长度及半径保证微波在到达反射镜前不与圆柱体内壁接触，同时反射镜的曲面需要根据反射镜处微波的功率分布及相位特性等进行设计。本例中，中空圆柱体轴向长度为1517mm，中空 圆柱体的外直径为276mm。 
反射镜是假负载中的关键部件，设计成凸镜形式，保证微波反射后能够发散到整个假负载内部空间中。反射镜的结构如图2所示，整个曲面基本为抛物面，并弯向中空圆柱体2内部，曲面中心处有一凸起，抛物面及凸起的曲率和曲率半径等参数主要依据微波的特性如强度及相位等参数进行设计。反射镜采用硬铝材质加工，可以使由反射镜造成的微波损耗尽可能小，从而保证测量精度。本例中，凸镜的曲率半径为216.3mm，凸起的曲率半径为28.75mm，凸起的高度为7.86mm。 
假负载的主体结构中空圆柱体2由不锈钢构成，假负载内部设计有四个独立的水路，由缠绕在假负载内壁的聚四氟乙烯水管构成，可以很好的吸收微波功率，保证测量精度，同时水管尺寸和水流量经过设计可以保证微波功率被完全吸收的同时水的温升不至于过高；外部水路3由不锈钢构成，水在进水口处一分为四，通过内部水路4在出水口处合为一路后流出；假负载的尺寸经过专门设计和计算，保证了微波在假负载内的自由传播。 
下面说明假负载的准直过程。 
假负载作为微波功率测量的重要部件，在使用时需要保证微波的波矢方向与假负载的轴线重合，以保证微波功率测量的准确性，因此在使用之前需要对假负载进行准直。主要包括一些几个步骤：（1）将假负载与传输系统的导波元件通过特殊设计的过渡段进行连接，同时取下反射镜，用同尺寸的热敏纸替代；（2）调节回旋管的参数使得输出150kW/10ms左右的微波，观测热敏纸微波的分布情况，找出功率分布的中心点；（3）若中心点在假负载的轴线上，则准直过程完成。反之则需要根据中心点的位置调整假负载的位置，重复前面的过程直至准直完成。 

Claims (6)

1.一种高功率长脉冲电子回旋加热共振系统假负载，其特征在于：包括中空圆柱体；所述中空圆柱体轴向的一端为微波输入端口，所述中空圆柱体轴向的另一端设置有反射镜，所述反射镜为弯向中空圆柱体内部的凸镜，所述凸镜曲面中心处设有一凸起；所述中空圆柱体内壁盘旋缠绕有内部水路，所述内部水路与设置在中空圆柱体外部的外部水路连接。
2.根据权利要求1所述的一种高功率长脉冲电子回旋加热共振系统假负载，其特征在于：所述凸镜的曲率半径为216.3mm，所述凸起的曲率半径为28.75mm，凸起的高度为7.86mm。
3.根据权利要求1所述的一种高功率长脉冲电子回旋加热共振系统假负载，其特征在于：所述中空圆柱体轴向长度为1517mm，所述中空圆柱体的外直径为276mm。
4.根据权利要求1所述的一种高功率长脉冲电子回旋加热共振系统假负载，其特征在于：所述内部水路为4组，每组水路各设有一个进水口和一个出水口，所述4个进水口与外部水路的进水管连接，所述4个出水口与所述外部水路的出水管连接。
5.根据权利要求1所述的一种高功率长脉冲电子回旋加热共振系统假负载，其特征在于：所述内部水路的水管为聚四氟乙烯水管。
6.根据权利要求1所述的一种高功率长脉冲电子回旋加热共振系统假负载，其特征在于：所述中空圆柱体的材料为不锈钢。
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