CN104157538A - 托卡马克装置用高功率连续波速调管 - Google Patents

Abstract

一种托卡马克装置用高功率连续波速调管，由三部分构成，第一部分是电子聚焦系统，包括阴极、控制极、阳极等，阴极发射的电子束被控制极和阳极会聚，经高压加速后形成圆形电子束，到达速调管的注-波互作用系统；第二部分是速调管的高频注-波互作用系统，由圆柱形重入式谐振腔构成，包括输入腔、群聚腔和输出腔，这种高频注-波互作用系统有效实现了功率容量、效率和增益的提高，其腔体内产生的高频微波通过输出腔波导输出；第三部分是收集极，收集完成注-波互作用的电子注的能量。本发明简单易行，该结构具有加工容易、工艺处理难度小、输出功率高、效率高和增益高等特点，可以更加稳定可靠的工作。

Description

托卡马克装置用高功率连续波速调管

技术领域

本发明涉及电真空技术领域，尤其涉及一种托卡马克装置用高功率连续波速调管。

背景技术

随着经济的发展和生活水平的提高，人类对能源的需求日益增大。目前人类使用的能源，主要是化石燃料，还有裂变核能和再生能源。化石能源的大量使用造成的温室效应及其对大气、土壤和水体的污染，裂变核能的使用会产生大量的辐射和安全隐患，甚至会给世界环境带来灾难性的后果。

采用可控热核聚变可以实现清洁能源的产生，而且没有辐射，能够安全工作，对人类环境没有任何破坏性的影响。但是热核聚变反应需要数亿摄氏度的温度。因此，要在核聚变的反应室托卡马克装置中，产生数亿摄氏度的高温，采用由高平均功率或高功率连续波速调管组成的低杂波电流驱动系统是其中的一个重要组成部分。因此实现热核聚变装置稳态运行的关键问题之一就是要提供连续的环向等离子体驱动电流。利用速调管产生微波波段的电磁波，通过特定的天线耦合到等离子体反应室中，激发在磁约束等离子体中以低杂模式传播的准静电波，低杂波在环向与电子通过朗道阻尼作用，把动量和能量传给平行于磁场方向的速度与波的相速度近似的电子，使得这些电子在沿着波动量方向的运动速度增加，形成电流，即低杂波驱动电流。这些携带电流的快电子(或者称为超热电子)在环向与背景等离子体碰撞，导致等离子体温度升高。因此，通过低杂波系统既可以实现电流驱动，维持等离子体持续稳定运行，又可以为等离子体加热，同时解决了两个主要问题。

由于低杂波系统具有明显的技术优势，因此，目前世界上大多数托卡马克装置上都采用了由连续波高功率速调管组成的低杂波系统来实现等离子体加热。由于国际ITER计划将采用大量的高功率连续波速调管，因此怎样发展更高功率连续波速调管就是摆在各国科学家面前迫在眉睫的一个难题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种托卡马克装置用高功率连续波速调管，以实现高功率和高效率的微波放大输出。

为了实现上述目的，本发明提供了一种托卡马克装置用高功率连续波速调管，包括：

电子聚焦系统，用于实现电子束的发射和会聚，将会聚的电子束传输到高频注-波互作用系统中；

高频注-波互作用系统，用于将输入的电子束调制成电子注，通过电子注的注-波互作用将输入的高频微波信号放大输出；

收集极10，用于收集完成注-波互作用的电子注的剩余能量。

其中，所述电子聚焦系统包括阴极1、控制极2和阳极5，所述阴极1发射的电子束被所述控制极2和所述阳极5会聚，经过所述阴极1与所述阳极5之间的高压加速后，形成圆形电子束，到达所述高频注-波互作用系统。

其中，所述高频注-波互作用系统采用独立的重入式圆柱谐振腔。

其中，所述高频注-波互作用系统包括通过漂移通道11顺次连接的输入腔6、群聚腔8和输出腔9。

其中，所述输入腔6包括波导和间隙，间隙位于漂移通道11相对两侧，微波从所述波导入口馈入输入腔6，并在所述间隙处产生高频电场，所述电场对所述电子聚焦系统输入的电子束进行调制。

其中，所述高频注-波互作用系统包括N个群聚腔8，用于对所述电子聚焦系统输入的电子束进行进一步调制，其中N为正整数。

其中，所述高频注-波互作用系统包括3个群聚腔8，前两个采用的是对称的圆柱形重入式谐振腔，末前一腔采用的是非对称结构。

其中，所述输出腔9包括间隙和波导，所述调制后的电子注通过在输出腔9的间隙处发生能量交换，实现了高频微波从所述输出腔9的所述波导的输出。

其中，所述输出腔9为非对称的圆柱形重入式谐振腔。

其中，所述收集极10内部轴向形成通道，所述通道中通冷却水来吸收所述收集极10产生的热量，所述冷却水的通道为沿圆周均匀分布的多条管路。

从上述技术方案可知，本发明的托卡马克装置用高功率连续波速调管采用非对称圆柱形重入式谐振腔，具有较高的功率和效率；而采用对称与非对称的圆柱形重入式谐振腔，结构也简单易行，在提高功率和效率方面有其独特的优势。

附图说明

图1为本发明的托卡马克装置用速调管的结构示意图；

图2为本发明的托卡马克装置用速调管输入腔的结构示意图；

图3为本发明的托卡马克装置用速调管输入腔的电场分布图；

图4a、4b分别为本发明的托卡马克装置用速调管群聚腔的对称结构和非对称结构示意图；

图5a、5b分别为本发明的托卡马克装置用速调管群聚腔的对称结构和非对称结构的电场分布图；

图6左右两幅图分别为本发明的托卡马克装置用速调管输出腔沿输出波导宽边方向的剖面结构示意图和横向剖面结构示意图；

图7左右两幅图为本发明的托卡马克装置用速调管输出腔沿输出波导宽边方向的剖面电场分布示意图和横向剖面电场分布图；

图8为本发明的托卡马克装置收集极的冷却水路的剖面图。

附图标记说明：

1、阴极，2、控制极，3、电子枪盖板，4、电子枪绝缘瓷，5、阳极，6、输入腔，7、电子束，8、群聚腔，9、输出腔，10、收集极，11、漂移通道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所熟知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明的托卡马克装置用高功率连续波速调管的工作原理为：速调管的结构能够在微波频段实现高功率、高效率和高增益，它与来自阴极的电子束在高频注-波互作用系统发生注-波互作用，将电子束的直流能量转化成高频微波能量，从而实现了微波信号的放大。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种托卡马克装置用高功率连续波速调管。如图1所示，本发明的托卡马克装置用高功率连续波速调管由三部分构成，第一部分是电子聚焦系统，由阴极1、控制极2、阳极5、电子枪盖板3和电子枪绝缘瓷4构成，阴极1发射的电子束被控制极2和阳极5会聚，经过阴极1与阳极5之间的高压加速后，形成了圆形电子束，到达速调管的注-波互作用系统，有效实现了阴极发射电子的会聚和传输；第二部分是速调管的高频注-波互作用系统，由圆柱形重入式谐振腔构成，包括输入腔6、群聚腔8和输出腔9，其中输入腔6用于馈入微波信号，在输入腔6的间隙处产生高频电场，对电子聚焦系统输入的电子束进行调制；群聚腔8则用于对所述电子聚焦系统输入的电子束进行进一步调制；而输出腔9则用于通过对调制后的电子注发生能量交换，实现高频微波从输出腔9的输出波导的输出，这种高频注-波互作用段有效实现了功率容量、效率和增益的提高；第三部分是收集极10，收集完成注-波互作用的电子注的能量。

以下分别对本发明一个具体实施方式的一种托卡马克装置用高功率连续波速调管的各个组成部分进行详细描述。

参见图1，阴极1采用的是氧化物发射材料，其形状为球冠形，其发射的电子束被控制极2会聚成形。阴极1和控制极2分别与电子枪盖板3的右端连接。阳极5的形状为球面，在阴极1与阳极5之间加有高压，其绝缘是靠电子枪绝缘瓷4来实现的。电子枪绝缘瓷4的左端与电子枪盖板3的右端连接，电子枪绝缘瓷4的右端与高频注-波互作用系统的左端连接。阴极1发射的电子，经过控制极2和阳极5的聚焦作用后，能够提供层流性好、波动小和刚性好的电子束，有效实现了优质电子束的产生和传输。

参见图1，高频注-波互作用系统是由输入腔6、群聚腔8和输出腔9构成，其中输入腔6的结构如图2所示，由波导、间隙和漂移通道11组成，该输入腔6的左端与阳极5的右端连接，阳极5与控制极2共同实现电子束的会聚和成形；输入腔6的右端依次连接着3个群聚腔8，前两个谐振腔采用的是对称的圆柱形重入式谐振腔，末前一腔(最后一腔)采用的是非对称结构，群聚腔的结构如图4a、4b所示，其中图4a为对称结构，图4b为非对称结构。参见图1，与末前一腔的右端连接的是输出腔9，它的结构如图6所示，由间隙、波导和漂移通道11组成，该波导通过与输出腔9的墙壁开孔实现有效的耦合，实现了微波从输出腔9到波导的传输，该输出腔9的结构采用了非对称的圆柱形重入式谐振腔。由此，这种高频注-波互作用系统有效实现了功率容量、效率和增益的提高。

与输出腔9右端连接的是收集极10，在收集极10轴向开有小孔，以提高冷却效率，如图8所示。与高频注-波互作用系统发生作用以后的剩余电子束被收集极10吸收，产生的热量，是通过在收集极10内开的水路实现有效的冷却。图8为本发明的托卡马克装置收集极的冷却水路的剖面图，可见冷却水路采用的是沿圆周均匀分布的多管路方式。

本发明中，从阴极1发射的电子经过电子聚焦系统以后，在漂移通道11中传输，到达输入腔6，输入腔6的结构如图2所示，该输入腔被波导加载，从波导入口馈入微波，在输入腔6间隙处产生高频电场，电场场形分布如图3所示。间隙处的电场对电子注进行速度调制，经过一段漂移空间后，电子注的速度调制转化为密度调制，并且不断的与中间群聚腔8发生调制作用，群聚腔8的结构如图4所示，采用了两种结构的群聚腔，第一种是典型的圆柱形重入式对称谐振腔，如图4a所示，前两个谐振腔采用这种方式；另外一种是非对称结构圆柱形重入式谐振腔，如图4b所示，在末前一腔采用此结构。因为随着注-波互作用增强，电子注在径向的截获也增大，采用非对称结构可以有效改善和提高电子注的通过率。这两种谐振腔的电场分布如图5a、5b所示；电子注经过输入腔6和群聚腔8后，获得调制深度很大的谐波电流，在到达输出腔9间隙时，与间隙处的高频场发生能量交换，其产生的高功率微波能量从输出腔的波导输出，输出腔9的结构如图6左右两幅图所示，其中左图表示沿输出波导宽边方向的剖面示意图，右图表示输出腔9横向剖面的结构示意图，表明其也采用了非对称的圆柱形重入式谐振腔，发生注-波互作用时在输出腔9的电场分布如图7左右两幅图所示，分别与图6两个方向观察到的结构对应。发生能量交换的剩余电子被收集极10收集，从而有效的实现了微波能量的转换，由于采用了对称和非对称圆柱形重入式谐振腔结构，其增益、效率和功率都有显著的提高。

在上述技术方案中，输出腔的结构不仅限于非对称圆柱形重入式结构，也可以采用非标准的类似结构替换，例如矩形谐振腔结构、同轴谐振腔结构和梯芯结构谐振腔等；而高频注-波互作用系统中群聚腔的数量也并不限于图1中的数量，可以采用不同的参数来代替，例如群聚腔数量为1个、2个、4个、5个、6个、……、N个，其中N为正整数。

本发明的托卡马克装置用高功率连续波速调管的各个组成部分的结构都经过精密的电性能设计和工程设计，然后通过精密机械加工，以及钎焊和烘排除气等工艺来制造。而采用对称/非对称的圆柱形重入式谐振腔，也使本发明的速调管具有加工容易、工艺处理难度小、输出功率高、效率高和增益高等特点，可以更加稳定可靠的工作。经过实验验证，本发明的托卡马克装置用高功率连续波速调管，相比传统速调管，可以大大提高在微波频段的功率和效率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种托卡马克装置用高功率连续波速调管，包括：

电子聚焦系统，用于实现电子束的发射和会聚，将会聚的电子束传输到高频注-波互作用系统中；

高频注-波互作用系统，用于将输入的电子束调制成电子注，通过电子注的注-波互作用将输入的高频微波信号放大输出；

收集极(10)，用于收集完成注-波互作用的电子注的剩余能量。

2.根据权利要求1所述的托卡马克装置用高功率连续波速调管，其中所述电子聚焦系统包括阴极(1)、控制极(2)和阳极(5)，所述阴极(1)发射的电子束被所述控制极(2)和所述阳极(5)会聚，经过所述阴极(1)与所述阳极(5)之间的高压加速后，形成圆形电子束，到达所述高频注-波互作用系统。

3.根据权利要求1所述的托卡马克装置用高功率连续波速调管，其中所述高频注-波互作用系统采用独立的重入式圆柱谐振腔。

4.根据权利要求1所述的托卡马克装置用高功率连续波速调管，其中所述高频注-波互作用系统包括通过漂移通道(11)顺次连接的输入腔(6)、群聚腔(8)和输出腔(9)。

5.根据权利要求4所述的托卡马克装置用高功率连续波速调管，其中所述输入腔(6)包括波导和间隙，间隙位于漂移通道(11)相对两侧，微波从所述波导入口馈入所述输入腔(6)，并在所述间隙处产生高频电场，所述电场对所述电子聚焦系统输入的电子束进行调制。

6.根据权利要求4所述的托卡马克装置用高功率连续波速调管，其中所述高频注-波互作用系统包括N个群聚腔(8)，用于对所述电子聚焦系统输入的电子束进行进一步调制，其中N为正整数。

7.根据权利要求6所述的托卡马克装置用高功率连续波速调管，其中所述高频注-波互作用系统包括3个群聚腔(8)，前两个采用的是对称的圆柱形重入式谐振腔，末前一腔采用的是非对称结构。

8.根据权利要求4所述的托卡马克装置用高功率连续波速调管，其中所述输出腔(9)包括间隙和波导，所述调制后的电子注通过在输出腔(9)的间隙处发生能量交换，实现了高频微波从所述输出腔(9)的所述波导的输出。

9.根据权利要求8所述的托卡马克装置用高功率连续波速调管，其中所述输出腔(9)为非对称的圆柱形重入式谐振腔。

10.根据权利要求1所述的托卡马克装置用高功率连续波速调管，其中所述收集极(10)内部轴向形成通道，所述通道中通冷却水来吸收所述收集极(10)产生的热量，所述冷却水的通道为沿圆周均匀分布的多条管路。