CN104466324B - 一种电子回旋共振加热毫米波发射器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子回旋共振加热毫米波发射器。其用于与波导连接，包括真空腔体，以及设置在真空腔体内的极化镜、椭球反射镜和平面镜；极化镜设置在波导的输出光路上，与波导呈45°夹角，用于将由波导输出的毫米波极化并反射，得到极化毫米波；椭球反射镜设置在极化毫米波的输出光路上，与极化毫米波呈45°夹角，用于将极化毫米波聚焦并反射，得到聚焦毫米波；平面镜设置在聚焦毫米波的输出光路上，用于将聚焦毫米波反射后注入等离子体加热腔，对等离子体进行加热和电流驱动。本发明能够实现毫米波的实时极化，并能使毫米波在等离子体不同位置实现高效耦合和电流驱动，且装置结构简单紧凑，调节效率和精度高。

Description

一种电子回旋共振加热毫米波发射器

技术领域

本发明属于电子回旋共振加热技术领域，更具体地，涉及一种电子回旋共振加热毫米波发射器，用于实现高真空大功率毫米波的实时极化、聚焦和快速精密的定向发射。

背景技术

在受控聚变研究中，为了将等离子体加热到聚变反应所需的温度，通常需要采用多种加热手段，其中，电子回旋共振加热是一种重要的等离子体加热手段。电子回旋共振加热(Electron Cyclotron Resonance Heating,ECRH)系统主要由波源系统、传输系统、天线系统、控制系统和保护系统等组成，单套系统的功率通常为200kW到1MW。其中，天线系统是ECRH系统的核心部件之一。ECRH系统中，为使产生的毫米波和等离子体耦合，实现对等离子体的电子加热和电流驱动，需要对毫米波进行极化。为了研究毫米波在等离子体不同位置的功率沉积，需要实现平面镜的快速转动，且平面镜的极向和环向转动不存在干涉。在平面镜转动的同时，为了更好地实现等离子体和毫米波的耦合，需要极化镜实时配合转动，以实现等离子体对毫米波功率的高效吸收。此外，为实现对等离子体不同位置的加热，需要精密、高效地控制平面镜的转角。

然而，现有的毫米波发射器平面镜不具备两个方向的快速转动功能或两个方向的转动存在一定的干扰，且转动效率不高。而对于需要同时完成改变毫米波极化方式的发射器，其平面镜通常仅能在一个方向转动。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电子回旋共振加热毫米波发射器，能够实现毫米波的实时极化，并能使毫米波在等离子体不同位置实现高效耦合和电流驱动，且装置结构简单紧凑，调节效率和精度高。该装置还可用于毫米波定向发射等领域。

为实现上述目的，本发明提供了一种电子回旋共振加热毫米波发射器，用于与波导连接，其特征在于，包括真空腔体，以及设置在所述真空腔体内的极化镜、椭球反射镜和平面镜；所述极化镜设置在所述波导的输出光路上，与所述波导呈45°夹角，用于将由所述波导输出的毫米波极化并反射，得到极化毫米波；所述椭球反射镜设置在极化毫米波的输出光路上，与极化毫米波呈45°夹角，用于将极化毫米波聚焦并反射，得到聚焦毫米波；所述平面镜设置在聚焦毫米波的输出光路上，用于将聚焦毫米波反射后注入等离子体加热腔，对等离子体进行加热和电流驱动；所述极化镜的中心落在所述波导的中心轴上，过所述极化镜的中心和所述椭球反射镜的中心的直线垂直于所述波导的中心轴；在所述平面镜与聚焦毫米波的夹角为45°时，过所述椭球反射镜的中心和所述平面镜的中心的直线L1垂直于过所述椭球反射镜的中心和所述波导的中心轴的平面P；所述极化镜能绕其中心轴转动，所述椭球反射镜固定在所述真空腔体内壁；所述平面镜能绕直线L1进行环向转动，还能绕与所述平面镜平行，同时与直线L1垂直的直线进行极向转动。

优选地，该毫米波发射器还包括支撑台，底座，以及第一和第二真空驱动器；所述支撑台固定在所述真空腔体内壁，其上设有圆柱形凹槽，所述凹槽的中心轴与直线L1重合，所述凹槽的中心设有贯穿孔；所述底座包括空心圆柱、两个支撑臂和第一环向驱动杆，所述两个支撑臂和第一环向驱动杆均设置在所述空心圆柱的侧壁；所述第一和第二真空驱动器分别通过真空过渡法兰固定在所述真空腔体外壁，其传动杆穿过所述真空腔体，进入到所述真空腔体内部；所述第一和第二真空驱动器的传动杆能沿其轴向做直线运动；所述空心圆柱置于所述凹槽内，所述两个支撑臂和第一环向驱动杆均位于所述支撑台上方，所述凹槽用于对所述空心圆柱进行径向限位，使其能绕所述凹槽的中心轴转动；所述平面镜的背面设有极向连接件和两个环向连接件，所述两个环向连接件分别与所述两个支撑臂铰接，两个铰接转动轴在同一直线L2上，直线L2平行于所述平面镜，且垂直于直线L1；所述第一环向驱动杆的端部与第二环向驱动杆的一端铰接，所述第二环向驱动杆的另一端与所述第一真空驱动器的传动杆同轴连接；所述第二环向驱动杆和所述第一真空驱动器的传动杆平行于平面P；所述极向连接件与第一极向驱动杆的一端铰接，所述第一极向驱动杆的另一端与第二极向驱动杆的一端铰接，所述第二极向驱动杆的另一端与第三极向驱动杆的一端连接；所述第二极向驱动杆垂直于所述第三极向驱动杆，并能绕所述第三极向驱动杆转动；所述第三极向驱动杆的另一端穿过所述空心圆柱和所述凹槽的贯穿孔，与所述第二真空驱动器的传动杆同轴连接。

优选地，所述支撑台上还设有两个半圆弧形的限位块，用于对所述空心圆柱进行向限位，确保其只能在所述凹槽内转动；所述限位块的内壁的曲率半径与所述凹槽的半径相等，所述限位块的圆心落在所述凹槽的中心轴上。

优选地，该毫米波发射器还包括封装盒、第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三真空驱动器；所述第三真空驱动器通过真空过渡法兰固定在所述真空腔体外壁，其传动杆穿过所述真空腔体，进入到所述真空腔体内部；所述第三真空驱动器的传动杆能绕其中心轴旋转；所述极化镜设置在所述封装盒内，所述封装盒固定在所述真空腔体内壁，用于对所述极化镜进行径向和轴向限位，使所述极化镜仅能绕其中心轴旋转；所述极化镜的背面安装转轴，所述转轴的中心轴与所述极化镜的中心轴重合；所述转轴的端部裸露在所述封装盒外，与所述第一锥齿轮的齿轮键连接，所述第二锥齿轮与所述第一锥齿轮垂直啮合，所述第二锥齿轮的齿轮键连接所述第三真空驱动器的传动杆。

优选地，所述封装盒包括限位框和后盖；所述限位框的中心设有阶梯孔结构，所述极化镜加工成与所述限位框的阶梯孔匹配吻合的阶梯轴结构；所述极化镜装入所述限位框内，所述后盖设置在所述限位框的端部，用于对所述极化镜进行轴向限位。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：通过极化镜对由波导输入的毫米波进行实时极化后，通过椭球反射镜将极化毫米波聚焦并反射，再通过平面镜将聚焦毫米波反射后送入等离子体加热腔。在平面镜环向和极向设置多个驱动杆，这些驱动杆分别在真空驱动器的作用下使平面镜实现环向和极向快速转动，环向和极向转动互不干涉，毫米波能对不同区域的等离子体进行加热和电流驱动，控制精度高，省力且不存在死点。

附图说明

图1是本发明实施例的电子回旋共振加热毫米波发射器的结构示意图；

图2是平面镜的安装结构示意图；

图3是极化镜的安装结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-波导，2-极化镜，3-椭球反射镜，4-平面镜，5-第三真空驱动器，6-第二真空驱动器，7-第一真空驱动器，8-支架，9-插板阀，10-环向连接件，11-极向连接件，12-第一极向驱动杆，13-第一环向驱动杆，14-第二环向驱动杆，15-环向过渡连接件，16-极向过渡连接件，17-限位块，18-支撑台，19-底座，20-第二极向驱动杆，21-第三极向驱动杆，22-限位螺栓，23-真空过渡法兰，24-第二锥齿轮，25-第一锥齿轮，26-后盖，27-固定螺栓，28-限位框。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例的电子回旋共振加热毫米波发射器包括真空腔体，以及设置在真空腔体内的极化镜2、椭球反射镜3和平面镜4。毫米波发射器用于与波导连接，极化镜2设置在波导的输出光路上，与波导呈45°夹角，从波导输出的近似为高斯光束的毫米波入射至极化镜2上，被极化镜2极化并反射后，得到极化毫米波。椭球反射镜3设置在极化毫米波的输出光路上，与极化毫米波呈45°夹角，极化毫米波被椭球反射镜3聚焦并反射后，得到聚焦毫米波。平面镜4设置在聚焦毫米波的输出光路上，聚焦毫米波被平面镜4反射后，注入等离子体加热腔，用于对等离子体进行加热和电流驱动。

其中，极化镜2的中心落在波导的中心轴上，过极化镜2的中心和椭球反射镜3的中心的直线垂直于波导的中心轴；在平面镜4与聚焦毫米波的夹角为45°时，过椭球反射镜3的中心和平面镜4的中心的直线L1垂直于过椭球反射镜3的中心和波导的中心轴的平面P。极化镜2能绕其中心轴转动。椭球反射镜3通过支架8固定在真空腔体内壁。平面镜4能绕直线L1进行环向转动，还能绕与平面镜4平行，同时与直线L1垂直的直线进行极向转动。环向转动与极向转动相互独立，互不干扰。通过平面镜4的环向和极向转动，能对不同区域的等离子体进行加热和电流驱动。

如图1和图2所示，上述电子回旋共振加热毫米波发射器还包括支撑台18、底座19、第一真空驱动器6和第二真空驱动器7。支撑台18固定在真空腔体内壁，其上设有圆柱形凹槽，凹槽的中心轴与直线L1重合，凹槽中心设有贯穿孔；底座19包括空心圆柱、两个支撑臂和第一环向驱动杆13，两个支撑臂和第一环向驱动杆13均设置在空心圆柱的侧壁。第一和第二真空驱动器6和7分别通过真空过渡法兰固定在真空腔体外壁，其传动杆穿过真空腔体，进入到真空腔体内部。第一和第二真空驱动器6和7的传动杆能沿其轴向做直线运动。

底座19的空心圆柱置于支撑台18的凹槽内，底座19的两个支撑臂和第一环向驱动杆13均位于支撑台18的上方，支撑台18的凹槽用于对底座19的空心圆柱进行径向限位，使其能绕支撑台18的凹槽的中心轴转动。平面镜4的背面设有极向连接件11和两个环向连接件10。两个环向连接件10分别与底座19的两个支撑臂铰接，两个铰接转动轴在同一直线L2上，直线L2平行于平面镜4，且垂直于直线L1。第一环向驱动杆13的端部与第二环向驱动杆14的一端铰接，第二环向驱动杆14的另一端通过环向过渡连接件15与第一真空驱动器7的传动杆同轴连接。第二环向驱动杆14和第一真空驱动器7的传动杆平行于平面P。

极向连接件11与第一极向驱动杆12的一端铰接，第一极向驱动杆12的另一端与第二极向驱动杆20的一端铰接，第二极向驱动杆20的另一端通过限位螺栓22与第三极向驱动杆21的一端连接，第二极向驱动杆20垂直于第三极向驱动杆21，并能绕第三极向驱动杆21转动，第三极向驱动杆21的另一端穿过底座19的空心圆柱和支撑台18的凹槽内的贯穿孔，通过极向过渡连接件16与第二真空驱动器6的传动杆同轴连接。

通过控制第一真空驱动器7的传动杆的轴向位移，控制平面镜4绕直线L1进行环向转动。具体地，第一真空驱动器7的传动杆产生轴向位移，带动第二环向驱动杆14产生相同的轴向位移，进而通过第一环向驱动杆13带动底座19在支撑台18的凹槽内转动，最终通过底座19的两个支撑臂带动平面镜4绕直线L1进行环向转动。通过控制第二真空驱动器6的传动杆的轴向位移，控制平面镜4绕直线L2进行极向转动。具体地，第二真空驱动器6的传动杆产生轴向位移，带动第三极向驱动杆21产生相同的轴向位移，使第二极向驱动杆20与第一极向驱动杆12铰接的一端产生相同的位移，进而使第一极向驱动杆12转动，最终促使平面镜4绕直线L2进行极向转动。

优选地，在支撑台18上还设有两个半圆弧形的限位块17，用于对底座19的空心圆柱的径向进行限位，进一步保证其只能在支撑台18的凹槽内转动。限位块17的内壁的曲率半径与支撑台18的凹槽的半径相等，限位块17的圆心落在支撑台18的凹槽的中心轴上。

如图1和图3所示，上述电子回旋共振加热毫米波发射器还包括封装盒、第一锥齿轮25、第二锥齿轮24和第三真空驱动器5。第三真空驱动器5通过真空过渡法兰23固定在真空腔体外壁，其传动杆穿过真空腔体，进入到真空腔体内部。第三真空驱动器5的传动杆能绕其中心轴旋转。极化镜2设置在封装盒内，封装盒固定在真空腔体内壁，用于对极化镜2进行径向和轴向限位，使极化镜2仅能绕其中心轴旋转。极化镜2的背面安装转轴，转轴的中心轴与极化镜的中心轴重合，转轴的端部裸露在封装盒外，与第一锥齿轮25的齿轮键连接，第二锥齿轮24与第一锥齿轮25垂直啮合，第二锥齿轮24的齿轮键连接第三真空驱动器5的传动杆。

通过控制第三真空驱动器5的传动杆转动，控制极化镜2绕其中心轴转动。具体地，第三真空驱动器5的传动杆转动，带动第二锥齿轮与24转动，进而驱动第一锥齿轮25转动，最终通过转轴促使极化镜2绕其中心轴转动。

优选地，封装盒包括限位框28和后盖26。限位框28的中心设有阶梯孔结构，极化镜2加工成与限位框28的阶梯孔匹配吻合的阶梯轴结构，极化镜2装入限位框28后，背面通过固定螺栓27固定后盖26进行轴向限位。

如图1所示，毫米波发射器通过插板阀9与等离子体加热腔连接，在毫米波发射器或波导1漏气的情况下，可通过插板阀9隔离毫米波发射器和等离子体加热腔，保证对等离子体的加热和电流驱动正常进行，方便维修。由于毫米波发射器腔体的真空度高，有相对运动的各部件间的润滑通过石墨实现。

极化镜2、椭球反射镜3和平面镜4由无氧铜制成，毫米波发射器的其它元件由304不锈钢制成。毫米波从波导输出后，可近似为基模高斯束，根据基模高斯束的发散特点，选取极化镜的尺寸；根据极化毫米波的束发散特点，选取椭球反射镜的参数。

综上可以看出：本发明的毫米波发射器可以实现毫米波的实时极化，并且能同时高效的控制平面反射镜的极向和环向转角，且有操控互不干涉，控制精度高，保证需要的毫米波以较小的束腰注入到等离子体内部，实现对等离子体的加热和电流驱动。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电子回旋共振加热毫米波发射器，用于与波导连接，其特征在于，包括真空腔体，以及设置在所述真空腔体内的极化镜、椭球反射镜和平面镜；所述极化镜设置在所述波导的输出光路上，与所述波导呈45°夹角，用于将由所述波导输出的毫米波极化并反射，得到极化毫米波；所述椭球反射镜设置在极化毫米波的输出光路上，与极化毫米波呈45°夹角，用于将极化毫米波聚焦并反射，得到聚焦毫米波；所述平面镜设置在聚焦毫米波的输出光路上，用于将聚焦毫米波反射后注入等离子体加热腔，对等离子体进行加热和电流驱动；

所述极化镜的中心落在所述波导的中心轴上，过所述极化镜的中心和所述椭球反射镜的中心的直线垂直于所述波导的中心轴；在所述平面镜与聚焦毫米波的夹角为45°时，过所述椭球反射镜的中心和所述平面镜的中心的直线L1垂直于过所述椭球反射镜的中心和所述波导的中心轴的平面P；所述极化镜能绕其中心轴转动，所述椭球反射镜固定在所述真空腔体内壁；所述平面镜能绕直线L1进行环向转动，还能绕与所述平面镜平行，同时与直线L1垂直的直线进行极向转动。

2.如权利要求1所述的电子回旋共振加热毫米波发射器，其特征在于，还包括支撑台，底座，以及第一和第二真空驱动器；所述支撑台固定在所述真空腔体内壁，其上设有圆柱形凹槽，所述凹槽的中心轴与直线L1重合，所述凹槽的中心设有贯穿孔；所述底座包括空心圆柱、两个支撑臂和第一环向驱动杆，所述两个支撑臂和第一环向驱动杆均设置在所述空心圆柱的侧壁；所述第一和第二真空驱动器分别通过真空过渡法兰固定在所述真空腔体外壁，其传动杆穿过所述真空腔体，进入到所述真空腔体内部；所述第一和第二真空驱动器的传动杆能沿其轴向做直线运动；

所述空心圆柱置于所述凹槽内，所述两个支撑臂和第一环向驱动杆均位于所述支撑台上方，所述凹槽用于对所述空心圆柱进行径向限位，使其能绕所述凹槽的中心轴转动；所述平面镜的背面设有极向连接件和两个环向连接件，所述两个环向连接件分别与所述两个支撑臂铰接，两个铰接转动轴在同一直线L2上，直线L2平行于所述平面镜，且垂直于直线L1；所述第一环向驱动杆的端部与第二环向驱动杆的一端铰接，所述第二环向驱动杆的另一端与所述第一真空驱动器的传动杆同轴连接；所述第二环向驱动杆和所述第一真空驱动器的传动杆平行于平面P；

所述极向连接件与第一极向驱动杆的一端铰接，所述第一极向驱动杆的另一端与第二极向驱动杆的一端铰接，所述第二极向驱动杆的另一端与第三极向驱动杆的一端连接；所述第二极向驱动杆垂直于所述第三极向驱动杆，并能绕所述第三极向驱动杆转动；所述第三极向驱动杆的另一端穿过所述空心圆柱和所述凹槽的贯穿孔，与所述第二真空驱动器的传动杆同轴连接。

3.如权利要求2所述的电子回旋共振加热毫米波发射器，其特征在于，所述支撑台上还设有两个半圆弧形的限位块，用于对所述空心圆柱进行向限位，确保其只能在所述凹槽内转动；所述限位块的内壁的曲率半径与所述凹槽的半径相等，所述限位块的圆心落在所述凹槽的中心轴上。

4.如权利要求1至3中任一项所述的电子回旋共振加热毫米波发射器，其特征在于，还包括封装盒、第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三真空驱动器；所述第三真空驱动器通过真空过渡法兰固定在所述真空腔体外壁，其传动杆穿过所述真空腔体，进入到所述真空腔体内部；所述第三真空驱动器的传动杆能绕其中心轴旋转；所述极化镜设置在所述封装盒内，所述封装盒固定在所述真空腔体内壁，用于对所述极化镜进行径向和轴向限位，使所述极化镜仅能绕其中心轴旋转；所述极化镜的背面安装转轴，所述转轴的中心轴与所述极化镜的中心轴重合；所述转轴的端部裸露在所述封装盒外，与所述第一锥齿轮的齿轮键连接，所述第二锥齿轮与所述第一锥齿轮垂直啮合，所述第二锥齿轮的齿轮键连接所述第三真空驱动器的传动杆。

5.如权利要求4所述的电子回旋共振加热毫米波发射器，其特征在于，所述封装盒包括限位框和后盖；所述限位框的中心设有阶梯孔结构，所述极化镜加工成与所述限位框的阶梯孔匹配吻合的阶梯轴结构；所述极化镜装入所述限位框内，所述后盖设置在所述限位框的端部，用于对所述极化镜进行轴向限位。