CN105990692A - 具有水冷结构的托卡马克低杂波有源无源多结波导阵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有水冷结构的托卡马克低杂波有源无源多结波导阵，包括多个波导天线单元，排列成一行或者多行组成阵列，在每行上还包括一个单独的侧盖板；其中，每个波导天线单元由数个正面带有移相器阶梯的隔板依次排列叠加构成，相邻两隔板之间的中空区域构成有源子波导；在微波输出方向，所有隔板和侧盖板的前方刻有一定深度的矩形深槽构成无源波导，无源波导的矩形深槽的后方在隔板和侧盖板内部布置蛇形水冷管道。本发明在无源波导后方的金属板中间布置蛇形水冷管道，有效冷却波导的宽边，减小热阻，同时，采用集成式的波导结构，大大减少了元件的装配数量，简化了天线结构。
Description
技术领域
本发明涉及磁约束聚变研究托卡马克装置领域，具体涉及一种具有水冷结构的托卡马克低杂波有源无源多结波导阵。
背景技术
托卡马克一种高温等离子体物理和磁约束聚变实验研究装置，其最终目的是通过轻核聚变产生稳定输出的能量用于发电，从而带来取之不尽的清洁能源而造福人类。在托卡马克装置上，低混杂波常用波导相控阵列天线将微波能量耦合到等离子体中，用于辅助加热或非感应电流驱动，使等离子体达到较好的约束。
然而，目前技术中，为与等离子体耦合的较好，低杂波天线需要与等离子体边缘距离较近，从而使天线端口存在较高的等离子体密度，以满足最佳耦合条件。然而，在托卡马克高功率长脉冲实验中，为了减小天线端口受到的高温等离子体热负荷，避免天线端口被烧蚀损坏，天线距离等离子体越远越好。但此时会导致天线口密度较低，天线与等离子体的耦合变差。这样在实验中就存在一个矛盾，耦合良好需要天线与等离子体距离较近，而高功率稳态运行又需要天线与等离子体保持一定距离。
为保持天线与等离子体良好的耦合，同时缓解微波天线面对托卡马克等离子体热辐射导致端口温度过高的危害，有源无源多结波导阵结构可以缓解这一问题。其原理是，在多结波导天线的有源波导中间，插入短路片构成无源波导，形成有源波导和无源波导交错式的相控阵结构。这种结构可以使低杂波天线端口在远离等离子体时，即使端口等离子体密度接近微波的截止密度，也能获得非常好的耦合效果，保证微波能量长距离耦合时能有效注入等离子体。尽管如此，由于高温等离子体高能粒子的轰击，在长脉冲运行时，这种天线的天线端口仍然存在被烧蚀损坏的风险。另一方面，目前技术中，这类波导阵列的结构非常复杂，经常需要几百种的金属板和隔条等拼接起来，复杂元件装配成天线时很容易出错。
为解决上述问题，本发明采用了集成的波导结构，大大减少了波导阵列装配的元件数量，节省人力，避免错误装配。同时，在无源波导后针对性地引入大面积的水冷管道，以增加天线端口的冷却效果。本发明非常适合低杂波天线远离等离子体工作，既减小了天线所受到的热载荷，又获得较好的耦合效率，同时大大增强了主动冷却能力，从而避免了低杂波天线端口烧蚀的风险。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有水冷结构的托卡马克低杂波有源无源多结波导阵，是一种具有水冷管道和精简装配结构的有源无源相控阵天线，用于托卡马克低杂波电流驱动，可以在距离等离子较远时，把微波能量有效注入等离子体，避免端口烧蚀风险。
本发明采用的技术方案是：
一种具有水冷结构的托卡马克低杂波有源无源多结波导阵，其特征在于：包括多个波导天线单元，排列成一行或者多行组成阵列，在每行上还包括一个单独的侧盖板；其中，每个波导天线单元由数个正面带有移相器阶梯的隔板依次排列叠加构成，相邻两隔板之间的中空区域构成有源子波导；在微波输出方向，所有隔板和侧盖板的前方刻有一定深度的矩形深槽构成无源波导，无源波导的矩形深槽的后方在隔板和侧盖板内部布置蛇形水冷管道。
所述的具有水冷结构的托卡马克低杂波有源无源多结波导阵，其特征在于：所述带有移相器阶梯的隔板中的移相器阶梯和隔板为一体结构，采用无氧铜-不锈钢-无氧铜爆炸焊复合板加工形成，隔板正面为无氧铜构成的移相器阶梯，反面为无氧铜构成的薄平面，中间为厚不锈钢层；数个所述隔板依次排列时，正面的移相器阶梯和相邻隔板的反面无氧铜薄平面接触，形成的内部中空区域构成了有源子波导。
所述的具有水冷结构的托卡马克低杂波有源无源多结波导阵，其特征在于：所述每个隔板的厚不锈钢层前端刻有一定深度的矩形深槽构成无源波导，其深度为四分之一波导波长；厚不锈钢层前端的无源波导内镀铜层。
所述的具有水冷结构的托卡马克低杂波有源无源多结波导阵，其特征在于：所述每个隔板在垂直方向上包括4个移相器阶梯，与相邻隔板的无氧铜反面连接形成的中空区域，构成垂直方向的3个有源子波导；从输入口看，在水平方向上，每个波导天线单元内，主波导的能量在横向上分配到多个有源子波导内，采用厚度变薄的中间隔板实现分配，在输入口的部分隔板厚度逐渐变薄，形成一个尖劈的形状，这些中间隔板把主波导隔离分开，把功率平均分配在多个有源子波导内；其中，波导天线单元最左侧的隔板正面的移相器阶梯不是封闭的，当多个波导天线单元从右到左依次排列形成一行，左方波导天线单元最右侧的隔板反面的无氧铜薄平面会正好将相邻右方波导天线单元左隔板正面的移相器阶梯封闭，对于整个波导阵，最后采用单独侧盖板作为外侧，将有源波导封闭。
所述的具有水冷结构的托卡马克低杂波有源无源多结波导阵，其特征在于：所述侧盖板采用无氧铜-不锈钢爆炸复合板加工形成；其中，封闭有源波导的一侧为厚度较小的无氧铜平面，最外侧为厚度较大的不锈钢材质。
所述的具有水冷结构的托卡马克低杂波有源无源多结波导阵，其特征在于：所述侧盖板的不锈钢层前端刻有深度为四分之一波导波长的矩形深槽，构成无源波导。
所述的具有水冷结构的托卡马克低杂波有源无源多结波导阵，其特征在于：所述带有移相器的隔板和单独的侧盖板在其不锈钢层内位于无源波导的后方布置有蛇形水冷管道；所述蛇形水冷管道距离无源波导较近处，间距较小，管道密度大，而距离无源波导较远处，间距较大，管道密度变小。
所述的具有水冷结构的托卡马克低杂波有源无源多结波导阵，其特征在于：所述带有移相器的隔板和单独的侧盖板内的蛇形水冷管道，是通过在厚度较大不锈钢层中间，垂直钻通孔，不锈钢层上下顶部和底部两端，采用高能电子束或者钎焊焊接两个不锈钢长条，两个不锈钢长条间断刻有水槽，将不锈钢隔板中间的通孔封闭并连通，形成完整的水冷循环管道。
本发明采用的有益效果是：
本发明在无源波导后方的金属板中间布置蛇形水冷管道，有效冷却波导的宽边，减小热阻，同时，采用集成式的波导结构，大大减少了元件的装配数量，简化了天线结构。
附图说明：
图1为本发明具有水冷结构的托卡马克低杂波有源无源多结波导阵的整体结构图。
图2为本发明有源无源多结波导阵的端口图。
图3a为本发明波导阵实施例波导天线单元的结构示意图。
图3b为本发明波导阵实施例波导天线单元的内部水平方向功率分配示意图。
图4a为本发明中波导天线单元的隔板结构图。
图4b为本发明中波导天线单元的隔板侧面的移相器示意图。
图5为本发明中波导天线单元隔板内的水冷管道结构图。
图6为本发明计算的反射系数和方向性随着密度的变化曲线图。
具体实现方式
根据以上所述的技术方案，本发明可以有多种的具体实现结构，比如低杂波有源无源多结波导阵所包含的波导天线单元排列结构，根据托卡马克实验时的窗口尺寸可以是不同的排列结构，例如波导天线单元可以是4行6列的阵列结构，亦可以是1行4列的阵列结构。另外，每个波导天线单元所包含的隔板和有源波导数量是可变化的，可以是2个隔板构成2个无源波导，或者是4个隔板，每个波导天线单元包含的隔板数量也可以是奇数，如3个。为了展示本发明的技术方案，以一个包含1行4列的波导天线单元、每个波导单元包含3个隔板的波导阵为例来说明具体的实现方式。
图1为本发明具有水冷结构的托卡马克低杂波有源无源多结波导阵一个实施例的整体结构图，图2是其微波输出端口的放大图。图3a、3b是本发明波导阵实施例的波导天线单元的结构以及内部水平方向功率分配示意图。可以看出图1的波导阵整体是由4个图3的波导天线单元结构排成一行组成的阵列，同时由图2可以看出其中包含了一个单独的侧盖板1。
图3a、3b展现了本发明波导天线单元的内部结构，每个波导天线单元包括3个正面带有移相器阶梯的隔板，依次从右至左排列叠加构成。图4a是波导天线单元上带有移相器阶梯的隔板结构图，图4b是波导天线单元的隔板侧面的移相器示意图，可以看出，在垂直方向上，每个隔板的正面A包括4个移相器阶梯2。如图4a，带有移相器阶梯2的隔板中，移相器阶梯2和隔板为一体结构，采用无氧铜-不锈钢-无氧铜爆炸焊复合板加工形成，隔板正面A为无氧铜材料构成的移相器阶梯2，每个隔板包括了四个移相器阶梯2，隔板的反面B为无氧铜材料构成的薄平面，中间层C为厚不锈钢层。数个图4的隔板依次排列时，正面的移相器阶梯2和相邻隔板的反面B无氧铜薄平面接触，形成的内部中空区域构成了有源子波导3，如图3a中所示。
可以看出，在垂直方向上，每个隔板上的四个移相器阶梯，与相邻的隔板构成了三个有源子波导，这三个有源子波导布置在三行上。在具体实施中，如图4b，隔板正面的移相器阶梯2，可以采用四段阶梯来实现子波导宽边的压缩以实现移相，压缩的长度可以根据有源波导相位差的需要来决定，如果某个有源波导内不需要移相，那么上述的四段阶梯可以舍去，此时有源波导变为一个宽度相等的直波导。三行有源子波导分别有三个主波导馈电输入微波能量。从图3b的波导天线单元的内部剖视图结构来看，从输入口看，在水平方向上，每个波导天线单元内，每行主波导的能量在横向上分配到3个有源子波导内，功率分配采用厚度变薄的中间隔板实现分配，在输入口的部分隔板厚度中间逐渐变薄，形成一个尖劈的形状4，这些中间隔板把主波导隔离分开，把功率平均分配在3个有源子波导内。其中，图3上部波导天线单元最左侧的隔板正面移相器不是封闭的，但是，当多个单元从右到左依次排列形成一行时形成阵列时，见图2，左方波导天线单元最右侧的隔板无氧铜反面会正好将相邻右方波导天线单元左隔板正面的移相器封闭。对于整个波导阵，最后采用单独侧盖板1作为外侧，将有源波导封闭。
每个隔板的不锈钢层C前端，刻有三个一定深度的矩形深槽，构成无源波导5，其深度一般为四分之一波导波长，本领域工作人员熟知的，波导波长是根据微波的工作频率和波导尺寸计算得出。无源波导5的位置与图3a中的有源波导3在同一水平线上。完成后，不锈钢层前端的无源波导5内镀铜层，具体上，可以采用先镀镍后镀铜的方式，以保证镀层的牢固性。
图2中波导阵天线的左侧，单独的侧盖板1，将边缘波导天线单元的移相器阶梯构成的有源波导封闭，它采用无氧铜-不锈钢爆炸复合板加工形成。其中，封闭有源波导的一侧为厚度较小的无氧铜平面，最外侧为厚度较大的不锈钢材质，无氧铜平面的厚度甚至可以小于1mm，一般只要大于工作频率下几倍的趋肤深度即可。同样，与带移相器的隔板相似，侧盖板1的不锈钢层前端，也刻有深度为四分之一波导波长的矩形深槽，构成无源波导5。所不同的是，侧盖板1的正面也为一平面，没有移相器阶梯。
根据以上表述，本发明实施列中，其特点是，有源波导和无源子波导3在水平方向上间隔依次排列，波导阵的两侧为无源波导。
下面介绍水冷结构，波导阵工作时，由于无源波导和有源波导端口均暴露于托卡马克高温等离子体下，为了降低高温带来的烧蚀风险，采用无源波导后方布置水冷管道的方式，对波导端口进行强制冷却。具体实施方式是，如图5所示，波导单元各个移相器隔板和侧盖板1，在厚度较大不锈钢层Y内，无源波导5的后方，布置有蛇形水冷管道。具体地，在不锈钢层Y中间，垂直钻通孔7，上下顶部和底部两端，采用高能电子束或者钎焊焊接Z和X两个不锈钢长条，其中，Z和X两个不锈钢长条间断刻有水槽8，将不锈钢隔板Y中间的通孔7封闭并连通，形成完整的水冷循环管道。底部的X不锈钢长条，下方布置一条不锈钢圆管6，圆管6与不锈钢隔板Y无源波导5后方的第一个通孔7直接相连通。顶部的Z不锈钢长条，内部布置一条不锈钢圆管9，圆管9与不锈钢隔板Y无源波导5后方的最后一个通孔直接相连通。实验时，水冷管道，水流方向从底部圆管6输入，经过不锈钢层Y内部的通孔和长条Z上的水冷管道，最终从顶部Z内部的不锈钢圆管9流出。
其中，水冷管道距离无源波导5较近处，间距较小，管道密度大，而距离无源波导较远处，间距较大，管道密度变小。
采用上述技术方案，水冷管道直接放置与无源波导后方，大大减小了等离子体热源到冷却管道的距离，从而可以直接将热量带走，冷却天线端口。一个计算实例表明，在托卡马克中，采用此种天线结构，可以将天线端口最高温度降低至300度以下，大大减小了天线端口被烧蚀的风险。此外，由于采用了有源无源间隔的波导阵列，在距离等离子体较远时仍能有很好的耦合，可将微波有效注入并加热或者驱动等离子体。图6 是计算得到的本发明实施例波导阵的反射系数和方向性随着边缘密度n0的变化曲线，工作频率为4.6GHz，可见，即使在远离等离子体时，等离子体密度低至n0=2×1011cm-3附近时，反射系数也保持在2%以下，因此可靠性大大提高。本发明采用集成式的波导结构，移相器和隔板为一体结构，大大减少了波导阵列装配的元件数量，精简了装配结构，减小了天线研制的工作量。
Claims (8)
1.一种具有水冷结构的托卡马克低杂波有源无源多结波导阵，其特征在于：包括多个波导天线单元，排列成一行或者多行组成阵列，在每行上还包括一个单独的侧盖板；其中，每个波导天线单元由数个正面带有移相器阶梯的隔板依次排列叠加构成，相邻两隔板之间的中空区域构成有源子波导；在微波输出方向，所有隔板和侧盖板的前方刻有一定深度的矩形深槽构成无源波导，无源波导的矩形深槽的后方在隔板和侧盖板内部布置蛇形水冷管道。
2.根据权利要求1所述的具有水冷结构的托卡马克低杂波有源无源多结波导阵，其特征在于：所述带有移相器阶梯的隔板中的移相器阶梯和隔板为一体结构，采用无氧铜-不锈钢-无氧铜爆炸焊复合板加工形成，隔板正面为无氧铜构成的移相器阶梯，反面为无氧铜构成的薄平面，中间为厚不锈钢层；数个所述隔板依次排列时，正面的移相器阶梯和相邻隔板的反面无氧铜薄平面接触，形成的内部中空区域构成了有源子波导。
3.根据权利要求2所述的具有水冷结构的托卡马克低杂波有源无源多结波导阵，其特征在于：所述每个隔板的厚不锈钢层前端刻有一定深度的矩形深槽构成无源波导，其深度为四分之一波导波长；厚不锈钢层前端的无源波导内镀铜层。
4.根据权利要求2所述的具有水冷结构的托卡马克低杂波有源无源多结波导阵，其特征在于：所述每个隔板在垂直方向上包括4个移相器阶梯，与相邻隔板的无氧铜反面连接形成的中空区域，构成垂直方向的3个有源子波导；从输入口看，在水平方向上，每个波导天线单元内，主波导的能量在横向上分配到多个有源子波导内，采用厚度变薄的中间隔板实现分配，在输入口的部分隔板厚度逐渐变薄，形成一个尖劈的形状，这些中间隔板把主波导隔离分开，把功率平均分配在多个有源子波导内；其中，波导天线单元最左侧的隔板正面的移相器阶梯不是封闭的，当多个波导天线单元从右到左依次排列形成一行，左方波导天线单元最右侧的隔板反面的无氧铜薄平面会正好将相邻右方波导天线单元左隔板正面的移相器阶梯封闭，对于整个波导阵，最后采用单独侧盖板作为外侧，将有源波导封闭。
5.根据权利要求4所述的具有水冷结构的托卡马克低杂波有源无源多结波导阵，其特征在于：所述侧盖板采用无氧铜-不锈钢爆炸复合板加工形成；其中，封闭有源波导的一侧为厚度较小的无氧铜平面，最外侧为厚度较大的不锈钢材质。
6.根据权利要求5所述的具有水冷结构的托卡马克低杂波有源无源多结波导阵，其特征在于：所述侧盖板的不锈钢层前端刻有深度为四分之一波导波长的矩形深槽，构成无源波导。
7.根据权利要求3或6所述的具有水冷结构的托卡马克低杂波有源无源多结波导阵，其特征在于：所述带有移相器的隔板和单独的侧盖板在其不锈钢层内位于无源波导的后方布置有蛇形水冷管道；所述蛇形水冷管道距离无源波导较近处，间距较小，管道密度大，而距离无源波导较远处，间距较大，管道密度变小。
8.根据权利要求7所述的具有水冷结构的托卡马克低杂波有源无源多结波导阵，其特征在于：所述带有移相器的隔板和单独的侧盖板内的蛇形水冷管道，是通过在厚度较大不锈钢层中间垂直钻通孔，不锈钢层上下顶部和底部两端采用高能电子束或者钎焊焊接两个不锈钢长条，两个不锈钢长条间断刻有水槽，将不锈钢隔板中间的通孔封闭并连通，形成完整的水冷循环管道。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20161005 |