CN113285223A - 一种分立式π/2相位差离子回旋共振加热天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分立式π/2相位差离子回旋共振加热天线，包括有RF源(1)，π/2调相器(2)，加热天线a(3)，加热天线b(4)和绝缘管(5)。本发明中等离子体贯穿进入分立式离子回旋天线时，被天线激发的电磁场有效加热，同时在两端天线之间的π/2相位差下不断加速。该离子回旋加热天线可使电磁波与等离子体高效耦合，且等离子体不直接接触电极，具有较高的服役寿命。同时分立式天线间距可以随工作频率或放电工作气体的特征频率进行更改，具有良好的通用性。

Description

一种分立式π/2相位差离子回旋共振加热天线
技术领域
本发明涉及应用于等离子体加热天线的结构设计，主要涉及一种分立式π/2相位差离子回旋共振加热天线。
背景技术
等离子体作为物质的第四态，同时也是聚变能和工业发展的主要技术之一，近些年备受世界各国科研院校和企业的关注。等离子体主要通过直流、射频、微波和激光等手段通过电离放电气体获得。对于磁约束等离子体而言，在等离子体的激发和加热过程中，能量通常需要通过不同结构的天线进行馈入。天线的结构和配置直接影响获得等离子体的电子温度、密度等关键参数，同时也会对能量的耦合效率造成影响。天线结构选型和设计不合理会造成等离子体设备的电离效率过低，甚至决定等离子体的激发是否成功。在特殊情况下天线会造成能量反射过大，造成设备的损坏和威胁操作人员的人身安全。对于加热天线而言，天线主要作用是将能量通过电磁波的形式进行扩散，利用天线本身的结构特点产生一个有利于等离子体加热的空间电场。天线的结构选型严重影响等离子体的加热效率。目前等离子体加热领域应用的天线有两类，一类是在托卡马克装置中结构为平面式天线，即天线的单面面向等离子体，天线承受着等离子体的热轰击；另一类应用在直线等离子体装置中，采用贯穿式单天线，即等离子体在环状天线中间激发，天线一端接入射频，另一端接地。
根据以上研究背景，本发明提出一种分立式π/2相位差离子回旋共振加热天线。该系统采用两段分立式天线，两段天线保持20-200mm的间隔。两段天线采用一套电源，两路输出结构，天线两路输出有π/2相位差。该天线设计可有效提高等离子体耦合效率，等离子体被两段分立式天线产生的电磁波激发，且由于两天线电源激励相位差的存在使得等离子体获得轴向加速，有利于提高等离子体的加热效率。同时该天线与等离子体之间由绝缘材料进行隔离，等离子体不和天线直接接触，有利于提高天线的服役寿命。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种分立式π/2相位差离子回旋共振加热天线。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明中等离子体分立式天线采用无氧铜或紫铜材质的细长管制作，也可使用其他导热性和延展性较好的材料代替。两段细长管的尺寸保持一致，直径范围为5-10mm，壁厚范围1-2mm。管道设计便于天线冷却和弯曲加工，单段天线的形状可以是封闭式、半封闭式或其他异形结构，天线的绕制半径可根据设计的等离子体直径确定，单个加热天线引出两个接线端。两段分立式天线同轴安装，且两组天线的接线端交错安装，避免因太近引起的击穿打火现象。两组分立式天线组成的离子回旋加热天线中，两组接线端分别接两路射频馈入和接地。两路射频输入从一套激励源发出，且通过调相处理使得两个射频输入相位差为π/2。
本发明提供了一种分立式π/2相位差离子回旋共振加热天线，包括RF源1，π/2调相器2，加热天线a3，加热天线b4和绝缘管5。加热天线a3和加热天线b4共同套在绝缘管5上，两组加热天线都是一端接地，另一端与两路射频输入连接。两路射频信号来源同一个信号源，经调相器2将一路射频信号分成两路进行输出。
所述的一种分立式π/2相位差离子回旋共振加热天线，离子回旋加热天线为两段分立式结构。该结构使得等离子体中离子加热效率较高。
所述的一种分立式π/2相位差离子回旋共振加热天线，离子回旋加热天线采用两路射频输入，且输入两路激励有π/2的相位差。相位差的存在使得分立式天线之间的电场对离子轴向加速的效应。
所述的一种分立式π/2相位差离子回旋共振加热天线，两段分立式离子回旋加热天线交错安装。便于功率馈入且可确保天线之间的电场有效加速离子。
所述的一种分立式π/2相位差离子回旋共振加热天线，分立式离子回旋加热天线半径可根据等离子体的有效尺寸确定，并不局限于某一固定尺寸。该天线对不同尺寸的等离子体均能有效进行加热，具有良好的经济适用性。
所述的一种分立式π/2相位差离子回旋共振加热天线，两段分立式离子回旋加热天线间隔20-200mm可调，根据射频工作频率或放电工作气体的特征频率进行调整。具有良好的通用性。
采用本发明在工作中，通过一套射频源输出两路相位差为π/2的激励信号，并将两个信号分别接入两段天线，当等离子体贯穿进入该天线有效电场内，等离子体中的离子在天线和磁场的作用下不断吸收能量，且离子在两端天线的之间电势差作用下加速获得更高的能量。
本发明的优点主要在于：
本发明相对于传统的离子回旋加热天线而言，在本发明中等离子体贯穿进入分立式离子回旋天线时，被天线激发的电磁场有效加热，同时在两端天线之间的π/2相位差下不断加速。该离子回旋加热天线可使电磁波与等离子体高效耦合，且等离子体不直接接触电极，具有较高的服役寿命。同时分立式天线间距可以随工作频率或放电工作气体的特征频率进行更改，具有良好的通用性。
附图说明
图1为本发明的一种分立式π/2相位差离子回旋共振加热天线结构示意图。
图中，1-RF源，2-π/2调相器，3-加热天线a，4-加热天线b，5-绝缘管。
具体实施方式
下面结合图1和具体实例对本发明做进一步的详细说明。本发明的一种分立式π/2相位差离子回旋共振加热天线并不限于特定的材质或工艺，以下所述案例仅为本发明的其中之一的实施案例而已，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。
如图1所示，一种分立式π/2相位差离子回旋共振加热天线，结构包括RF源1，π/2调相器2，加热天线a3，加热天线b4，绝缘管5加热天线a3和加热天线b4共同套在绝缘管上，两组加热天线都是一端接地，另一端与两路射频输入连接。两路射频信号来源同一个信号源，经调相器将一路射频信号分成两路进行输出。
所述的RF源是提供离子回旋共振激励发生设备，其工作频率由工作气体的种类以及磁场大小决定；
所述的π/2调相器为信号源提供相差π/2的两路输出；
所述的加热天线a3和加热天线b4为分立式天线的两段天线。本发明天线不限于此结构，也可以是其他结构；
所述的绝缘管5为隔绝等离子体和天线的部件，其结构尺寸由设计的等离子体参数决定。
离子回旋加热天线为两段分立式结构。主要优点：该结构使得等离子体中离子加热效率较高。
离子回旋共振加热天线采用两路射频输入，且输入两路激励有π/2的相位差。主要优点：相位差的存在使得分立式天线之间的电场对离子轴向加速的效应。
两段分立式离子回旋加热天线交错安装。主要优点：便于功率馈入且可确保天线之间的电场有效加速离子。
分立式离子回旋加热天线半径可根据等离子体的有效尺寸确定，并不局限于某一固定尺寸。主要优点：该天线对不同尺寸的等离子体均能有效进行加热，具有良好的经济适用性。
两段分立式离子回旋加热天线间隔20-200mm可调，可根据射频工作频率或放电工作气体的特征频率进行调整。主要优点：具有良好的通用性。
本发明中等离子体贯穿进入分立式离子回旋天线时，被天线激发的电磁场有效加热，同时在两端天线之间的π/2相位差下不断加速。该离子回旋加热天线可使电磁波与等离子体高效耦合，且等离子体不直接接触电极，具有较高的服役寿命。同时分立式天线间距可以随工作频率或放电工作气体的特征频率进行更改，具有良好的通用性。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种分立式π/2相位差离子回旋共振加热天线，其特征在于：包括RF源(1)，π/2调相器(2)，加热天线a(3)，加热天线b(4)和绝缘管(5)；加热天线a(3)和加热天线b(4)共同套在绝缘管(5)上，两组加热天线都是一端接地，另一端与两路射频输入连接；两路射频信号来源同一个信号源，经调相器(2)将一路射频信号分成两路进行输出。
2.根据权利要求1所述的一种分立式π/2相位差离子回旋共振加热天线，其特征在于：离子回旋共振加热天线为两段分立式结构。
3.根据权利要求2所述的一种分立式π/2相位差离子回旋共振加热天线，其特征在于：离子回旋共振加热天线采用两路射频输入，且输入两路激励有π/2的相位差。
4.根据权利要求2所述的一种分立式π/2相位差离子回旋共振加热天线，其特征在于：两段分立式离子回旋加热天线交错安装。
5.根据权利要求1所述的一种分立式π/2相位差离子回旋共振加热天线，其特征在于：分立式离子回旋共振加热天线半径根据等离子体的有效尺寸确定，并不局限于某一固定尺寸。
6.根据权利要求1所述的一种分立式π/2相位差离子回旋共振加热天线，其特征在于：两段分立式离子回旋共振加热天线间隔20-200mm可调，根据射频工作频率或放电工作气体的特征频率进行调整。
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