CN116133224B - 一种用于激发高功率螺旋波等离子体的共振型天线装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于激发高功率螺旋波等离子体的共振型天线装置，涉及天线技术领域。本发明包括功率馈入电路、共振天线、石英管及真空密封筒，本发明采用环形阵列电感和电容组成的高通共振型天线能够实现低回波损耗的单频共振，共振天线腿上电流沿角向呈正弦分布，能够产生均匀的磁场，有利于实现等离子体磁化；共振天线两端对应电感上电流大小相同，相位相反，能够激发出固定平行波数的螺旋波等离子体，共振天线整体呈现出接近与同轴波导和射频源特征阻抗接近的高阻抗状态，等离子体电离后的失谐也可以通过微调射频源工作频率实现天线低反射功率运行，可以实现高效激发螺旋波等离子体。

Description

一种用于激发高功率螺旋波等离子体的共振型天线装置
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别是涉及一种用于激发高功率螺旋波等离子体的共振型天线装置。
背景技术
开展多条带天线与等离子体的相互作用耦合以及射频鞘物理的实验研究需要线性等离子体装置具备可调节密度的性能。同时为了更好的验证多条带天线发射功率谱与等离子体吸收功率之间关系，亟需均匀度高的种子等离子体；与此同时，高功率螺旋波等离子体受阻抗匹配难、空间辐射大和天线易发热等影响，使得高功率螺旋波等离子体激发实验开展较为困难，即高功率螺旋波等离子体物理研究也很难深入。
发展适配于托卡马克多电流带天线测试的螺旋波等离子体源，一方面能够通过获得均匀度高的螺旋波等离子体，这对天线射频鞘层研究提供便利；另一方面，低回波损耗和高品质因数的共振螺旋波天线有利于避免在开展高功率螺旋波等离子体实验过程中匹配难的问题。对共振天线和等离子体发生装置实施水冷、金属屏蔽等措施，也能够为高功率螺旋波物理实验稳定开展提供便利。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于激发高功率螺旋波等离子体的共振型天线装置，满足线性等离子体平台置测试与应用。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种用于激发高功率螺旋波等离子体的共振型天线装置，包括共振天线，共振天线包括上连接环、下连接环和一圈天线，上连接环上位于两条天线之间的环段上设置有电容，下连接环上其中相邻两条天线之间具有一缺口，其余两天线之间的下连接环的环段上设置有电容；上连接环上对称位置分别配备射频馈入连接端子和接地端子。
优选地，相邻两天线的共振天线腿端部设置有水冷管，水冷管接通水管，水冷管内通入去离子水。
优选地，共振天线腿上安装有电流传感器。
优选地，共振天线架设在真空密封筒上，真空密封筒上排布有一圈石英管，真空密封筒和石英管联通注气系统，注气系统连接贮气罐。
优选地，共振天线、真空密封筒和石英管布置在屏蔽盒内，屏蔽盒上设置有功率馈入电路，功率馈入电路的输入端通过同轴波导接射频源，输出端通过同轴波导的芯部连接真空可调耦合电容的一端，同轴波导的外导体于接地端子相连，真空可调耦合电容的另一端连接射频地端。
优选地，屏蔽盒外设置有磁场线圈，磁场线圈和共振天线同轴。
优选地，共振天线外设置有法拉第屏蔽环，法拉第屏蔽环的两个屏蔽半环分别通过驱动装置安装在屏蔽盒内，两屏蔽半环对称分布于共振天线的两侧并关于共振天线的轴线对称。
优选地，屏蔽盒内布置有高磁导率铁氧体。
本发明具有以下有益效果：
1.它的空载等离子体阻抗可以与射频源直接实现阻抗匹配，天线具备高增益发射效率，因此可以实现低功率激发出等离子体。
2.它在电离等离子体过程中可以实现超低反射功率运行，通过微调运行频率将匹配状态调节到最佳后，提高入射功率仍能维持较好的匹配状态，无需复杂的匹配过程。
3.它能够稳定激发均匀度较高的螺旋波等离子体，为研究高功率螺旋波等离子体物理打下坚实基础。
4.具备法拉第屏蔽结构和真空电容结构，既能够实现共振频率调节，也能够实现共振峰品质因数调节。
5.能够激发固定轴向波数的螺旋波等离子体，同时共振天线腿本身能够提供均匀的背景磁场，因此能够实现较大直径的螺旋波等离子体源产生能够有效屏蔽射频对外界的干扰，确保了高功率实验下的安全性。
6.能够有效屏蔽射频对外界的干扰，确保了高功率实验下的安全性。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为共振型天线装置整体结构布局；
图2为不同连接位置S11主共振峰分布结果；
图3为水冷共振天线等效电路图；
图4为CST三维设计结构图；
图5为图4天线结构的CST仿真图；
图6为法拉第屏蔽筒距中心轴位置对共振频率影响规律；
图7为英管及真空密封筒的结构示意图；
图8为入射功率为1kW和10kW的等离子体放电图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、功率馈入电路；2、共振天线；3、屏蔽盒；4、真空可调耦合电容；5、电流传感器；6、法拉第屏蔽环；7、贮气罐；8、磁场线圈；9、接地端子；10、射频馈入连接端子；11、注气端口；12、石英管；13、真空密封筒。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-8所示，本发明为一种用于激发高功率螺旋波等离子体的共振型天线装置，主要包括有功率馈入电路1、一个真空可调耦合电容、一套水冷共振天线、一对电动可调法拉第屏蔽结构、若干水冷管、一套石英管12及真空密封结构、一套注气系统、一个磁场线圈、一套全封闭屏蔽盒和若干电流传感器5。
水冷共振天线包括共振天线2，共振天线2主要由上连接环、下连接环和一圈天线组成，上连接环上位于两条天线之间的环段上设置有电容，下连接环上其中相邻两条天线之间具有一缺口，其余两天线之间的下连接环上设置有电容；上连接环上对称位置分别配备射频馈入连接端子10和接地端子9，其中电容为陶瓷电容。
天线设置有十二条，天线的端部设铜排接线端子，电容的两端连接相邻两天线上同端的接线端子，在实验时，将上连接环或下连接环上12个陶瓷电容的每个铜排接线端子从1-12命名，将1定为射频功率馈入端时，2-12不同的接线端子分别接地会发现从5-20MHz范围内共振峰位置不发生改变，但是不同连接位置主共振峰会发生改变具体测试参数如图2所示，因此在高功率馈入前需要调节接线端子使得选择的接地端子9与射频馈入端满足工作频率下共振峰强度最强，也就是S11最小。
功率馈入电路1、一个真空可调耦合电容4和一套水冷共振天线的连接方式：
功率馈入电路1的输入端通过同轴波导接射频源，输出端通过同轴波导的芯部连接真空可调耦合电容4的一端，同轴波导的外导体于接地端子9相连，真空可调耦合电容4的另一端连接射频地端，射频地端为同轴波导的外壳。
具体的，真空可调耦合电容4的容值范围在40-600pF，一端并联在同轴波导内导体与天线输入端的铜排上，另一端固定在屏蔽盒的底面板上，相当于连接到射频地端。
真空可调耦合电容4对S11共振峰频率影响较小，对共振峰强度影响较大，它的主要功能是实现几十欧姆的阻抗与同轴波导50欧姆匹配，通过计算只需要40-600pF的电容范围，就能够实现12.5-14.5MHz范围内阻抗匹配，而且该匹配过程属于优化匹配。
优选的，共振天线2由12根天线、12根水冷铜管和23套纯铜连接端子、23套耐压陶瓷电容组成，水冷铜管组成的共振天线腿直径为1cm，长度30cm，两端可通过压接端子与水冷管14相连，耐压陶瓷电容容值2nF，通过设计的纯铜连接端子串联在共振天线2的连接环、下连接环，上环共12套纯铜连接端子和12个电容串联，并在上环对称位置分别配备射频馈入连接端子10和接地端子9，下连接环共11套纯铜连接端子和11套电容，在最后闭环位置的断开不安装电容，最终实现12.5-14.5MHz范围内任一频率的共振，频馈入连接端子10接从真空可调耦合电容4转接过来的铜排，接地端子9连接6英寸同轴波导外导体；值得注意的是，由于共振天线2下连接环有一个电容部件未安装，打破了整个共振天线2的对称性，因此不同的天线馈入端子10和接地端子9，多个共振峰频率位置虽然不变，但是共振峰的峰值会出现变化，每个主峰均与天线电流腿角向电流分布模数相对应，端子的选择可以通过CST软件仿真和使用网络分析仪实际连接测试的方式寻找。
共振天线2上相邻两天线的共振天线腿端部设置有水冷管14，水冷管14接通水管，水管接通冷却水循环泵，水冷管14内通入去离子水，主动循环的冷却水能够带走高功率螺旋波共振天线消耗的热量。
共振天线2架设在真空密封筒13上，真空密封筒13上排布有一圈石英管12，真空密封筒13和石英管12联通注气系统，注气系统连接贮气罐7。
具体的，石英管12及真空密封筒13放置于共振天线2的内部，石英管12和真空密封筒13的长度较共振天线2略长，一端用于气体注入，另外一端通过真空密封筒13与大型装置相连接，同时固定在金属屏蔽一个端面，既保证了等离子体的正常电离，又保证了整个螺旋等离子体产生装置的屏蔽性能。
真空密封筒13和石英管12外设置盘盖，盘盖上设置的注气端口11连接贮气罐7、贮气罐7连接氩气瓶并配置相应的可调针阀、气管、截止阀，为整个螺旋等离子体产生装置提供了充分的电离气体。
优选的，如图7所示，石英管12选用的石英厚度为5mm，外径约19cm，一端是固定在注气金属盘上，另外一端通过法兰盘与真空密封筒13相连，可以通过该端口将等离子体喷射出去。
注气系统一端连接石英管12及真空密封筒13，另一端连接由贮气罐7、可调针阀、气管、截止阀和氩气瓶组成的供气装置，由m6直径的四氟气管串接，气体通过贮气罐7储存，能够确保等离子体在电离过程中充足的气体供应，同时针阀可以控制气体电离的本底气压，截止阀便于实验过程中快速关断气体。
如图3所示为水冷共振天线等效电路图，水冷共振天线主要通过理论计算和CST软件三维仿真的方法进行设计和参数选择，共振频率的计算公式为
Figure GDA0004256606110000071
其中k为共振天线腿角向电流强度组成的模数或者周期数，即不同频率时共振天线腿电流角向拟合函数为In＝I0*sin(k*2nπ/N)时的周期数,In为共振天线2第n条腿的电流强度，Wk是共振天线腿角向模数为k时对应的共振圆频率，C为所选陶瓷共振电容，L为共振天线腿的电感，N为共振天线腿的个数，M为相邻共振天线腿之间的互感，本发明天线结构的M＝64nH。虽然上述公式为全对称共振天线2共振频率公式，但是共振频率主要时由单个高通电路决定，使用上述公式可以进行计算。由于共振天线2一端环少了一个电容，打破了对称性，使得不同接线端子有着不同的共振主峰，便于不同频率下主峰高效耦合。本发明所使用的电容容值为C＝2nF，L＝144nH，共振频率在12.5-14.5MHz范围内时对应的k＝1。通过对等效电路分析，可以看到上下环对称位置的电流大小相等，方向相反，也就是说该共振天线2轴向功率谱波数为
Figure GDA0004256606110000081
l为共振天线腿的长度。初步选定参数后可以通过CST仿真进行参数优化，如图4和图5所示CST三维设计结构和仿真结果。
另外的，共振天线2外设置有法拉第屏蔽环6，法拉第屏蔽环6的两个屏蔽半环分别通过驱动装置安装在屏蔽盒3内，两屏蔽半环对称分布于共振天线2的两侧并关于共振天线2的轴线对称。
具体的，法拉第屏蔽环6共分为两个半环部分，两个部分相对共振天线2中心轴对称，使用材料为不锈钢材料，厚度3mm，长度35cm，半径20cm，分别由一根螺杆和两根金属棒固定在全屏蔽盒上下两个端面，螺杆安装在屏蔽半环中间，后端与伺服电机相连，控制屏蔽半环上下移动，两根金属棒可以确保屏蔽半环仅能上下同一水平移动而不旋转。实验过程中两个屏蔽半环关于轴线上下对称，通过程序可以实现两个法拉第屏蔽环6上下对称移动，移动路径上分别安装有上下限位，确保法拉第屏蔽在安全距离内移动。法拉第屏蔽为厚度3mm，半径20cm，弧度175度的不锈钢屏蔽弧筒构成，可以实现0-1.5MHz范围内共振频率大小调节。在共振频率调节过程中，须保持法拉第屏蔽环6的两部分反向对称移动。通过实际测试可知，当上下两部分向中心轴靠近的时候，共振频率会向更高频率移动，具体测试结果如图6所示。
法拉第屏蔽环6基本将共振天线2包围，通过电机控制法拉第屏蔽筒同时向共振天线2收缩或者展开，法拉第屏蔽直接接地，并与天线之间形成可调间隔的空间电容，微调法拉第屏蔽可以改变共振峰频率的位置。
屏蔽盒3外设置有磁场线圈8，磁场线圈8和共振天线2同轴，磁场线圈8紧挨着屏蔽盒3与共振天线2同轴心安装，主要用于提供激发螺旋波等离子体的背景磁场。
全封闭屏蔽盒3将共振天线2、石英管12及真空密封筒13、水冷管、注气系统全部屏蔽起来，同时内置多个高磁导率铁氧体，可以用于屏蔽腔体内激发的高次谐波吸收，用于减少射频波带来的危害和干扰。
电流传感器5由一圈铜线内置在环氧绝缘材料内，构成电流环穿插在共振天线腿上，因此共有12道相同的电流传感器5。由于所有电流传感器5都一样，因此可以通过电流传感器5得到共振天线腿电流强度和相位的相对关系，进而判断出共振天线2的角向运行模式。
优选的，磁场线圈8由截面长35mm宽8mm铜排绕制35圈组成，线圈电流可以在0-200A任意调节，能够为共振天线2提供0-500G背景磁场，也方便实验中背景磁场扫描。
全封闭屏蔽盒3由铝框架和铝面板组成，对上述各分系统有支撑和屏蔽作用，使用磁导率大于100000的铁氧体材料片，贴在屏蔽盒3内直角棱边处，可以有效吸收共振天线2在屏蔽盒3内激发的高次谐波和杂波。
根据本发明的一个实施例，利用本发明开展了600W-10kW下共振天线2激发等离子体实验，实验中，石英管12内注入氩气，气体气压约为0.08Pa，本底磁场大小为400G，放电脉宽180ms，入射功率为1kW时反射功率约20W，入射功率为10kW时，反射功率为300W。入射功率为1kW和10kW的放电图像分别如图8(a)和(b)所示。分析图像结果可知，入射功率1kW时，螺旋波仅被激发在边界；当功率提高到10kW时，等离子体进入螺旋波电离状态，通过其他诊断也证明了该电离状态实现了较高的电离率。实验上高功率螺旋波等离子体柱的产生，证明了此共振天线2的可用性和延展性。
值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。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。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种用于激发高功率螺旋波等离子体的共振型天线装置，其特征在于，包括共振天线(2)，所述共振天线(2)包括上连接环、下连接环和一圈天线，所述上连接环上位于两条天线之间的环段上设置有电容；
所述下连接环上其中相邻两条天线之间具有一缺口，其余两天线之间的下连接环的环段上设置有电容；
所述上连接环上对称位置分别配备射频馈入连接端子(10)和接地端子(9)；
共振天线(2)架设在真空密封筒(13)上，所述真空密封筒(13)上排布有一圈石英管(12)，真空密封筒(13)和石英管(12)联通注气系统，所述注气系统连接贮气罐(7)；
共振天线(2)、真空密封筒(13)和石英管(12)布置在屏蔽盒(3)内，所述屏蔽盒(3)上设置有功率馈入电路(1)，所述功率馈入电路(1)的输入端通过同轴波导接射频源，功率馈入电路(1)的输出端通过同轴波导的芯部连接真空可调耦合电容(4)的一端，同轴波导的外导体于接地端子(9)相连，真空可调耦合电容(4)的另一端连接射频地端。
2.根据权利要求1所述的一种用于激发高功率螺旋波等离子体的共振型天线装置，其特征在于，相邻两所述天线的共振天线腿端部设置有水冷管(14)，所述水冷管(14)接通水管，所述水冷管(14)内通入去离子水。
3.根据权利要求2所述的一种用于激发高功率螺旋波等离子体的共振型天线装置，其特征在于，所述共振天线腿上安装有电流传感器(5)。
4.根据权利要求1所述的一种用于激发高功率螺旋波等离子体的共振型天线装置，其特征在于，所述屏蔽盒(3)外设置有磁场线圈(8)，所述磁场线圈(8)和共振天线(2)同轴。
5.根据权利要求1所述的一种用于激发高功率螺旋波等离子体的共振型天线装置，其特征在于，所述共振天线(2)外设置有法拉第屏蔽环(6)，所述法拉第屏蔽环(6)的两个屏蔽半环分别通过驱动装置安装在屏蔽盒(3)内，两屏蔽半环对称分布于共振天线(2)的两侧并关于共振天线(2)的轴线对称。
6.根据权利要求5所述的一种用于激发高功率螺旋波等离子体的共振型天线装置，所述屏蔽盒(3)内布置有高磁导率铁氧体。
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