CN206341469U - 一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于等离子体加热领域，具体涉及一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线。包括真空密封箱、和与真空密封箱密封连接的外盲板、外盲板上的四个真空密封窗口、放置在真空密封箱内部的2个反射平面镜和上下两组共4个反射聚焦镜，所述真空密封箱内部设置有可以控制反射平面镜转动的平面镜转动机构，所述真空密封箱外部，在外盲板上设置有转动驱动机构。本发明可以实现微波环向与极向注入角度同时远程可控；角度控制可靠平滑、定位精度高、极向转动速度快；极向角度转动的响应速度可以满足等离子体放电期间的实时控制要求，为实现新经典撕裂模实时反馈控制提供了硬件基础。
Description
技术领域
本实用新型属于等离子体加热领域，具体涉及一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线。
背景技术
高功率毫米波在聚变研究中的应用，其目的是为了提高等离子体的温度，波与等离子体相互耦合效率的高低是衡量毫米波系统性能的重要指标之一。电子回旋天线是高功率毫米波从波源(回旋管)输出经传输线到达等离子体所需要的媒介，天线的机械结构和工作性能直接决定了电子回旋共振加热系统加热和驱动的效果，决定了是否能够有效开展相关的物理实验。新型天线的设计旨在保证大功率毫米波传输的稳定性和可靠性，实现天线发射角度快速实时转动，从而实现对新经典撕裂模等磁流体不稳定性进行实时反馈控制的目的。
现有技术中的电子回旋共振加热系统发射天线，只能手动控制反射平面镜转动，响应速度慢、精度低，无法快速改变微波入射角度，从而无法在等离子体放电期间实时控制电子回旋波的功率沉积位置。此外，随着电子回旋系统规模的扩大，利用一个天线发射多束微波，需要设计大功率容量的发射天线。
本案例中所涉及的新型发射天线需要兼顾满足以下技术要求：
(1)具有快速驱动机构，实现对微波注入角度快速可控，从而在等离子体放电期间实时控制电子回旋波的功率沉积位置；
(2)具有远程控制功能，在控制室可实现对入射角度的设定，并嵌入到ECRH的总体控制系统中。
发明内容
本实用新型针对目前聚变研究装置电子回旋共振加热系统规模日益扩大但托卡马克窗口资源有限的现况，研制了一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线，兼顾了以上各项技术要求，同时将4束高功率微波注入等离子体，且可实现微波注入角度在环向与极向两个方向上互不干扰的改变，角度控制可靠平滑、定位精度高、极向转动速度快，解决以往电子回旋共振加热系统无法快速有效控制电子回旋波沉积位置的问题，提供一种可发射多束微波的集束式发射天线系统。
一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线，包括真空密封箱、和与真空密封箱密封连接的外盲板、外盲板上的四个真空密封窗口、放置在真空密封箱内部的2个反射平面镜和上下两组共4个反射聚焦镜，所述真空密封箱内部设置有可以控制反射平面镜转动的平面镜转动机构，所述真空密封箱外部，在外盲板上设置有转动驱动机构；所述反射聚焦镜的镜面采用椭球设计，根据高斯波束的传输特性使得经过反射的束腰位置在等离子体中心处，束腰大小为20mm。
一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线，所述真空密封箱一端通过端口法兰直接与托卡马克真空室窗口法兰对接，另一端通过固定在天线外盲板上的微波密封窗口与电子回旋传输线对接。
一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线，所述外盲板中心位置设置有一个贯穿孔，贯穿孔上下各设置一组真空密封窗口，每组有两个真空密封窗口。
一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线，所述每组真空密封窗口的水平高度相同，所述微波密封窗口的内径是根据微波的频率相匹配。
一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线，所述反射平面镜设置在真空密封箱内的中心位置，成折型布置，每个反射平面镜具有两个反射面。
一种新型快速转动高功率电子回旋波发射天线，所述2个反射平面镜分别与上下两组反射聚焦镜镜面平行布置。
一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线，所述反射聚焦镜分为上下两组，设置在反射平面镜5的正上方和正下方。
一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线，所述反射聚焦镜为椭球镜面，与微波传输方向呈45度。
一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线，所述平面镜转动机构位于反射平面镜与外盲板之间；所述的平面镜转动机构由环向拉丝、调节弹簧、导向机构以及极向推杆组成。
一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线，所述转动驱动机构通过支撑架安装在外盲板外侧，位于上下两组微波密封窗口的中间；所述转动驱动机构由四根金属真空波纹管组件、四根螺纹驱动杆、四根轴向固定杆，四个驱动电机；并采用逻辑控制单元PLC通过编码器及控制器发指令给驱动电机驱使其转动，驱动电机根据指令信息带动螺纹驱动杆作往复直线运动。
本实用新型的有益效果在于：
(1)微波注入角度在环向与极向两个方向上互不干扰的改变，角度控制可靠平滑、定位精度高、极向转动速度快；
(2)可以实现微波环向与极向注入角度同时远程可控；
(2)极向角度转动的响应速度可以满足等离子体放电期间的实时控制要求，为实现新经典撕裂模实时反馈控制提供了硬件基础；
附图说明
图1是天线真空密封箱及内部部件示意图
图2是天线外盲板及外部传动机构示意图
图3是天线平面镜环向与极向转动机构示意图
图4是天线聚焦镜设计示意图
图5是天线极向转动0.1度时的时间响应曲线图
图中，1、真空密封箱；2、外盲板；3、微波密封窗口；4、反射聚焦镜；5、反射平面镜；6、平明镜转动机构；7、转动驱动机构；8、金属真空波纹管组件；9、环向拉丝；10、调节弹簧；11、导向机构；12、极向推杆；13、螺纹驱动杆；14、轴向固定杆；15、驱动电机；16、支撑架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型的一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线进行详细说明。
如图1、2所示，本实用新型的一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线，由以下主要部件构成：真空密封箱1，所述真空密封箱1一端通过端口法兰直接与托卡马克真空室窗口法兰对接，一端通过固定在天线外盲板2上的微波密封窗口与电子回旋传输线对接；所述真空密封箱1用于将高功率微波发射部件封装在真空室内，将电子回旋系统传输线传输过来的高功率微波注入等离子体；所述高功率微波发射部件包括：反射聚焦镜4和反射平面镜5组成。所述真空密封箱1是托卡马克装置窗口的延伸，用于容纳反射聚焦镜4、反射平面镜5以及平面镜转动机构6。其内部空间与装置主真空室相连，在工作状态下其内部为真空。
本实施例中设置有4个反射聚焦镜4，反射聚焦经4分为上下两组，设置在反射平面镜5的正上方和正下方，每条微波波束各对应一个反射聚焦镜4，所述反射聚焦镜4的镜面为椭球面，用于聚焦高斯波束，便于定域加热和驱动等离子体，所述高斯波束是从传输线传输到反射聚焦镜面4上的；反射聚焦镜4镜面与微波传输方向呈45度。
在真空密封箱1内部正中心位置设置有2个折型布置的反射平面镜5，所述2个反射平面镜5共有4个反射平面，用于改变微波注入角度，使微波沉积于不同的等离子体区域；所述反射平面镜5镜面与反射聚焦镜4镜面平行。
真空密封箱1内部设置有4套平面镜转动机构6，平面镜转动机构6位于反射平面镜5与外盲板2之间，用于实现平面镜的转动；所述的平面镜转动机构6由环向拉丝9、调节弹簧10、导向机构11以及极向推杆12组成。具体的实施方案为：环向拉丝9及极向推杆12通过导向结构11，转化为平面镜绕极向与环向转轴的转动，从而实现微波注入角度的改变；反射平面镜5环向转动采用环向拉丝9拉动的驱动方式，所述环向拉丝9一端连接在平面反射镜5上通过两个固定在环向转动轴上的滑轮连接到金属真空波纹管组件8内部的传动杆上，拉动环向拉丝9时使反射平面镜5围绕转轴旋转，松开环向拉丝9时则由调节弹簧10推动反射平面镜5反方向旋转。该转动机构结构紧凑，所需空间小，线性度好，但是响应速度慢，仅能够在不需要实时反馈控制的环向角度转动下适用。
反射平面镜5极向方向的转动通过极向推杆12实现，这种方式转动响应速度快，且同时提高了上下两束波束的极向转动范围，使不同实验要求下电子回旋共振加热的可近性增强。该种驱动方式的缺点在于，由于转轴存在安装空隙，使得在极向正反向旋转时的角度定位存在差异，但是通过本实施例在结构上的优化使得这种差异非常细微，能够满足实验中微波沉积位置控制在定位精度上的要求；本实用新型案例中环向与极向转动两种不用驱动方式的选用，解决了在有限空间内环向与极向转动互不干扰转动的问题，且保证两个防线的转动平滑无死点，能够充分满足各种电子回旋加热实验需求。
本实施例中设置有一个外盲板2，用于实现真空密封箱1的真空密封；外盲2板通过螺钉与真空密封箱1密封连接；所述外盲板2正中心设置有通孔，用于驱动机构穿过外盲板2与真空密封箱1内平面镜转动机构6相连。
所述外盲板2与真空密封箱1相连接的一侧为内侧，另外一侧为外侧，外盲板2上设置有通过螺钉连接的上下两组共4个微波密封窗口3，每组有两个微波密封窗口3，一组中的两个微波窗口3布置在一条水平线上，每个微波密封窗口3可透射一束68GHz/0.5MW/1s微波，所述微波密封窗口3的内径是根据微波的频率相匹配，并实现与传输线的真空隔离；所述传输线是用来将电子回旋系统发射的高功率微波传输到天线的部件。
本实施例中设置有1个转动驱动机构7，安装在外盲板2外侧，位于上下两组微波密封窗口3的中间，驱动平面镜转动机构6转动。所述转动驱动机构7由四根金属真空波纹管组件8、四根螺纹驱动杆13、四根轴向固定杆14，四个驱动电机15以及一个支撑架16组成。所述轴向固定杆14用于使螺纹驱动杆13沿固定轴向做直线移动，而不产生方向偏移；支撑架16用于将驱动机构7固定在外盲板上2；由于托卡马克装置为超高真空及需要长时间的烘烤，因此采用金属真空波纹管组件8作为真空动密封组件，该种密封形式密封可靠且耐烘烤。
逻辑控制单元PLC通过编码器及控制器发指令给驱动电机15驱使其转动，驱动电机15根据指令信息带动螺纹驱动杆13作往复直线运动，该控制模式灵活、稳定、抗干扰能力强、响应速度快。
电子回旋系统传输线波导辐射出来的微波，在自由空间中近似为基模高斯束，为发散波束。反射聚焦镜4是将发散的微波波束束聚焦的器件，电子回旋共振加热物理实验要求在电子回旋共振层处微波束半径尽可能小，即功率沉积的局域性好。反射聚焦镜4的设计首先需要确定焦点位置，再根据基摸高斯束在自由空间中的传播规律，确定反射聚焦镜4的反射镜面曲面结构。本案例中的天线采用了准光学方法对反射聚焦镜4进行设计，镜面为椭球镜面。按照高斯束在椭球聚焦镜上的反射特性，当束腰半径为ω0′的高斯束入射到距束腰的距离为l'的球面反射镜时，反射后的高斯束束腰半径ω0′和束腰到球面反射镜的距离l'分别为：
f＝πω2 0/λ
由上式可见，改变F或者l'都可以改变高斯束的束腰和束腰到球面镜的距离。当高斯束的入射角为θ时，反射聚焦镜4椭球面方程为：
R＝2Fcosθ
其中，a，b分别为反射聚焦镜4椭圆剖面的短半轴和长半轴，为反射聚焦镜4的焦距，为反射聚焦镜4的椭球面的短半轴，h0为反射聚焦镜4剖面离椭球镜顶点的距离。本实施例中的天线将反射聚焦镜4的焦点选择在托卡马克装置环向横截面中心处，θ为高斯光束入射角45°，入射波束束腰位于波导口处(束腰半径为ω0＝0.42r，r为波导内半径80mm)，优化设计后对应的反射聚焦镜4的曲面方程为：
波束经反射聚焦镜4和反射平面镜5反射后传播到装置环向横截面中心处，微波功率密度降为中心值的1/e的波束半径为20mm。
本实施例的具体实施方式如下：高功率微波经微波密封窗口3透射后，经反射聚焦镜4及反射平面镜5反射后注入托卡马克真空室内的等离子体；平面反射镜5极向方向的转动通过极向推杆12实现，环向方向转动通过环向拉丝9实现，平面镜转动机构6的转动通过转动驱动机构7来实现；通过上述方法，极向方向可以实现快速高精度的转动，且不干扰环向方向的转动，可以实现极向方向的转动的实时控制，从而实时控制电子回旋波的功率沉积位置。
Claims (10)
1.一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线，包括真空密封箱(1)、和与真空密封箱(1)密封连接的外盲板(2)、外盲板(2)上的四个真空密封窗口(3)、放置在真空密封箱(1)内部的2个反射平面镜(5)和上下两组共4个反射聚焦镜(4)，其特征在于：所述真空密封箱(1)内部设置有可以控制反射平面镜(5)转动的平面镜转动机构(6)，所述真空密封箱(1)外部，在外盲板(2)上设置有转动驱动机构(7)；所述反射聚焦镜(4)的镜面采用椭球设计，根据高斯波束的传输特性使得经过反射的束腰位置在等离子体中心处，束腰大小为20mm。
2.如权利要求1所述的一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线，其特征在于：所述真空密封箱(1)一端通过端口法兰直接与托卡马克真空室窗口法兰对接，另一端通过固定在天线外盲板(2)上的微波密封窗口(3)与电子回旋传输线对接。
3.如权利要求1所述的一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线，其特征在于：所述外盲板(2)中心位置设置有一个贯穿孔，贯穿孔上下各设置一组真空密封窗口(3)，每组有两个真空密封窗口(3)。
4.如权利要求3所述的一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线，其特征在于：所述每组真空密封窗口(3)的水平高度相同，所述真空密封窗口(3)的内径是根据微波的频率相匹配。
5.如权利要求1所述的一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线，其特征在于：所述反射平面镜(5)设置在真空密封箱(1)内的中心位置，成折型布置，每个反射平面镜(5)具有两个反射面。
6.如权利要求1或5所述的一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线，其特征在于：所述2个反射平面镜(5)分别与上下两组反射聚焦镜(4) 镜面平行布置。
7.如权利要求1所述的一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线，其特征在于：所述反射聚焦镜(4)分为上下两组，设置在反射平面镜5的正上方和正下方。
8.如权利要求1或7所述的一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线，其特征在于：所述反射聚焦镜(4)为椭球镜面，与微波传输方向呈45度。
9.如权利要求1所述的一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线，其特征在于：所述平面镜转动机构(6)位于反射平面镜(5)与外盲板(2)之间；所述的平面镜转动机构(6)由环向拉丝(9)、调节弹簧(10)、导向机构(11)以及极向推杆(12)组成。
10.如权利要求1所述的一种新型的快速转动高功率电子回旋波发射天线，其特征在于：所述转动驱动机构(7)通过支撑架(16)安装在外盲板(2)外侧，位于上下两组微波密封窗口(3)的中间；所述转动驱动机构(7)由四根金属真空波纹管组件(8)、四根螺纹驱动杆(13)、四根轴向固定杆(14)，四个驱动电机(15)；并采用逻辑控制单元PLC通过编码器及控制器发指令给驱动电机(15)驱使其转动，驱动电机(15)根据指令信息带动螺纹驱动杆(13)作往复直线运动。
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| CN111313130A (zh) * | 2019-11-04 | 2020-06-19 | 华中科技大学 | 一种用于切换大功率电子回旋波传输方向的波导开关 |
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