JP2017166886A - High-frequency power density distribution measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は導波管を用いた高周波加熱装置において使用される方法であって、詳細には、導波管中を伝搬する高周波の電力密度分布を測定する高周波電力密度分布測定方法に関するものである。 The present invention relates to a method used in a high-frequency heating apparatus using a waveguide, and more particularly to a high-frequency power density distribution measuring method for measuring a high-frequency power density distribution propagating in a waveguide. .
本発明の高周波電力密度分布測定方法は、大型の高周波加熱装置における伝送路の高周波伝搬効率を向上させるために欠かせないものであり、本書において一例として説明する核融合装置だけでなく、例えば高品質セラミック焼結などの一般産業分野においても有用な方法である。 The high-frequency power density distribution measuring method of the present invention is indispensable for improving the high-frequency propagation efficiency of the transmission path in a large-sized high-frequency heating apparatus. For example, the high-frequency power density distribution measuring method is not limited to the fusion apparatus described as an example in this document. It is also a useful method in general industrial fields such as quality ceramic sintering.
一般に大型の高周波加熱装置は、高周波(RF)を発振する発振源であるジャイロトロンと、発生した高周波電力を加熱対象部まで伝送する伝送路を構成する導波管を備えている。このような加熱装置においては、従来、導波管中を伝搬する高周波の電力を測定する方法として、(1)特許文献1に示されているような、主伝送路の導波管に設けた隙間に誘電体を挿入し、その誘電体の温度上昇値を温度計で測定する、高周波電力測定装置を用いる方法、(2)非特許文献1に示されているような、主伝送路の高周波の方向を変化させて、ダミーロード内に導かれた高周波を熱に変えて、冷却水の温度上昇値を測定する、高周波電力測定装置を用いる方法などが知られている。 In general, a large-sized high-frequency heating device includes a gyrotron that is an oscillation source that oscillates a high frequency (RF), and a waveguide that forms a transmission path that transmits the generated high-frequency power to a portion to be heated. In such a heating apparatus, conventionally, as a method for measuring high-frequency power propagating in a waveguide, (1) as shown in Patent Document 1, it is provided in a waveguide of a main transmission path. A method using a high-frequency power measuring device in which a dielectric is inserted into the gap and the temperature rise value of the dielectric is measured with a thermometer; (2) the high frequency of the main transmission path as shown in Non-Patent Document 1; A method using a high-frequency power measuring device is known in which the direction of the above is changed, the high frequency guided into the dummy load is changed to heat, and the temperature rise value of the cooling water is measured.
高周波加熱装置においては、ジャイロトン等で発生させた高周波電力を、伝送路での電力損失を極力抑えて、如何に効率的に加熱対象部まで伝送するかが、非常に重要な課題である。このためには、伝搬する高周波の電力密度分布を最適化することが重要で、より好ましくは、伝送路の要所要所において、例えば両端部付近において伝送効率が最適となる電力密度分布を持たせることが重要である。 In a high-frequency heating device, how to efficiently transmit high-frequency power generated by a gyroton or the like to a heating target portion while minimizing power loss in the transmission path is a very important issue. For this purpose, it is important to optimize the power density distribution of the propagating high frequency. More preferably, the power density distribution that optimizes the transmission efficiency is provided near the required ends of the transmission path, for example, near both ends. This is very important.
したがって、本発明の目的は、高周波の主伝送路を変更せず、しかも、高周波加熱装置の運転を妨げることなく、真空を維持したまま、比較的短時間に、伝送路内の高周波電力密度の分布を測定することができる方法を提供することにある。 Therefore, the object of the present invention is to change the high-frequency power density in the transmission line in a relatively short time without changing the main transmission line of the high-frequency wave and maintaining the vacuum without disturbing the operation of the high-frequency heating device. It is to provide a method by which the distribution can be measured.
本発明の一つの観点によれば、高周波電力密度分布測定方法は、導波管を用いて高周波を伝搬させるシステムにおいて、前記導波管の内外に移動可能な誘電体板が挿入可能な隙間を設けると共に、前記導波管に観測用窓と該観測用窓を介して前記導波管外にある前記誘電体板の温度分布を観測する温度分布測定器を設け、前記導波管内の高周波電力分布の測定時に前記誘電体板を前記隙間を介して前記導波管内に挿入し、一定時間経過後に前記誘電体板を前記導波管外の所定位置に移動させ、前記誘電体板が高周波電力による誘電損失によって発熱されることによって得られる前記誘電体板の温度分布を、前記観測用窓を通して前記温度分布測定器によって測定するようになっている。 According to one aspect of the present invention, a high frequency power density distribution measuring method includes a gap in which a movable dielectric plate can be inserted into and out of a waveguide in a system that propagates high frequency using a waveguide. And providing a temperature distribution measuring device for observing a temperature distribution of the dielectric plate outside the waveguide through the observation window and the observation window, the high-frequency power in the waveguide. When the distribution is measured, the dielectric plate is inserted into the waveguide through the gap, and after a predetermined time has passed, the dielectric plate is moved to a predetermined position outside the waveguide. The temperature distribution of the dielectric plate obtained by generating heat due to the dielectric loss due to is measured by the temperature distribution measuring instrument through the observation window.
好適には、上述の方法において、誘電体板を、導波管内から導波管外の所定位置への移動は重力において行われ、観測に適した所定位置において停止させられる。 Preferably, in the above-described method, the movement of the dielectric plate from the inside of the waveguide to the predetermined position outside the waveguide is performed by gravity and stopped at the predetermined position suitable for observation.
従来の方法では、導波管よって伝送される高周波の電力を測定することは可能であっても、導波管の内部の高周波の電力密度分布を測定することは困難であった。本発明の測定方法によれば、導波管の内部の高周波の電力密度分布を、導波管の経路の任意の位置において、その位置における高周波電力密度分布を、高周波の主伝送路を変更せず、しかも、高周波加熱装置の運転を妨げることなく、真空を維持したまま、比較的短時間に、伝送路内の高周波電力密度の分布を測定することができる。 In the conventional method, although it is possible to measure the high frequency power transmitted by the waveguide, it is difficult to measure the high frequency power density distribution inside the waveguide. According to the measurement method of the present invention, the high-frequency power density distribution inside the waveguide can be changed at any position in the waveguide path by changing the high-frequency main transmission path. Moreover, the distribution of the high frequency power density in the transmission line can be measured in a relatively short time while maintaining the vacuum without interfering with the operation of the high frequency heating apparatus.
図1乃至図4を参照しながら、本発明の実施例について詳述する。図1は本発明の方法を適用した、高周波電力分布測定装置の一例を示す縦断面図を示したものである。図1においては、誘電体板3が導波管1における隙間2に挿入されている。高周波電流が流れたとき、誘電体板3が高周波電力による誘電損失によって発熱される。その時の誘電体板の温度分布が、観測用窓4を通して赤外カメラなどの温度分布測定器5により測定されるようになっている。そして、温度分布の時間変化(温度上昇)から、導波管中を伝搬する高周波の電力密度分布が算出される。
The embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an example of a high-frequency power distribution measuring apparatus to which the method of the present invention is applied. In FIG. 1, a
赤外カメラ例えば赤外線サーモグラフィー装置を用いると、誘電体ディスク表面の温度分布の時間変化が測定できる。この装置は、ビデオの画面上に温度を色で表示する測定方法に加え、画面上の座標と時刻に対する温度をデータとして出力する機能がある。このデータをパソコンに取り込んでグラフ化すれば、温度分布の時間変化(温度上昇)が得られる。 When an infrared camera, for example, an infrared thermography device is used, the time change of the temperature distribution on the surface of the dielectric disk can be measured. This apparatus has a function of outputting temperature on coordinates and time as data in addition to a measuring method for displaying temperature in color on a video screen. If this data is taken into a personal computer and graphed, the time distribution of temperature distribution (temperature rise) can be obtained.
なお、ディスク表面の初期温度は均一(一様)であるが、高周波が透過するとその電力密度分布にほぼ比例した発熱が起こり、温度分布が生じる。したがって、高周波透過直後の温度分布から初期温度を差し引いたもの(温度上昇)の分布データは、そのまま電力密度分布(の相対値)を表す。 The initial temperature of the disk surface is uniform (uniform), but when a high frequency is transmitted, heat is generated in proportion to the power density distribution, resulting in a temperature distribution. Accordingly, distribution data obtained by subtracting the initial temperature from the temperature distribution immediately after high-frequency transmission (temperature increase) directly represents the power density distribution (relative value thereof).
ここで、図1の高周波電力密度分布測定装置の各部の構造と機能について説明する。誘電体板3は導波管1を伝送する高周波電力を透過させ、高周波による誘電損失による発熱を検出ために使用され、その材質が窒化硅素で、厚さが0.98mmほどの鏡面加工板である。
Here, the structure and function of each part of the high-frequency power density distribution measuring apparatus of FIG. 1 will be described. The
誘電体板3の材料としては、高周波電力の大きさ、周波数に応じて、誘電正接の異なった誘電体を使用した。図1の装置では、110GHz、1MW級、短パルスでの高周波電力密度測定を前提として設計を行った。誘電体損失は、周波数と材料の誘電正接に比例するため、110GHzのような高い周波数になるほど誘電正接が低い材料が高周波電力の透過に適している。しかし、本装置で必要とする材料は高周波電力が低損失で透過して、さらに発熱した誘電体板3の温度変化はできるだけ遅いことが望まれる。したがって、この例では誘電体板3の材料として、誘電正接:1.4×10-4、熱伝導率:59W/mK、比誘電率:d7.9である窒化硅素を使用した。
As the material of the
誘電体板3の厚さは、
t = n・λL / 2 (t:厚さ n:整数)
λLは誘電体中での波長で真空中の波長をλ0とすると
λL = 1 / √ε・λ0 (ε:誘電体の誘電率)
窒化硅素の誘電率ε=7.9、周波数f=110GHzとして
λL / 2 = 0.48 (mm)
The thickness of the
t = n · λL / 2 (t: thickness n: integer)
λL is the wavelength in the dielectric, and the wavelength in vacuum is λ0. λL = 1 / √ε · λ0 (ε: dielectric constant of the dielectric)
The dielectric constant of silicon nitride ε = 7.9, frequency f = 110GHz λL / 2 = 0.48 (mm)
従って、誘電体板3の厚さtは、n=2では0.97mm、n=3では1.45mmの厚さとなる。厚さが異なると誘電体板で反射波が生じるため、製作精度は±0.01mmとした。実施例ではn=2で0.97mm±0.01mmで製作した。
Therefore, the thickness t of the
誘電体板支持構造物8は、断熱材料(PEEK材)により誘電板を一点支持する構造を持ち、誘電体板の交換を行っても同一位置に固定可能であり、精度の良い温度計測を実現できる。観測用窓4は、温度分布測定用窓は、赤外カメラ等の透過波長領域に合わせ光学コートを施したゲルマニウム真空窓である。ゲートバルブ6(図2)は、非測定時の長時間運転に高周波電力を測定機構部へ漏れ出させないためのものである。また、スリット付き変換フランジ7には、ゲートバルブのシート面への高周波電力もさらに軽減するためにスリットを付けた変換フランジが設けられ、フランジ自体も水冷却構造にしている。 The dielectric plate support structure 8 has a structure in which the dielectric plate is supported at one point by a heat insulating material (PEEK material), and can be fixed at the same position even if the dielectric plate is replaced, thereby realizing accurate temperature measurement. it can. The observation window 4 is a germanium vacuum window in which the temperature distribution measurement window is optically coated in accordance with the transmission wavelength region of an infrared camera or the like. The gate valve 6 (FIG. 2) is for preventing high-frequency power from leaking to the measurement mechanism section during long-time operation during non-measurement. Moreover, the conversion flange 7 with a slit is provided with a conversion flange with a slit in order to further reduce high-frequency power to the seat surface of the gate valve, and the flange itself has a water cooling structure.
次に、この装置の動作について説明する。高周波電力密度測定装置は、導波管1間の約2mmの隙間に約1mmの誘電体板3を挿入して高周波電力をその誘電体板3に短時間(0.2秒程度)透過させる。高周波電力を透過した誘電体板は発熱するが、電力密度がより高い部分がより高温になるため、電力密度分布を反映した温度分布になる。高周波を停止させた後、停止タイミングで発生させる電気信号(高周波電力停止信号)をトリガーにして、高速(0.5秒以下)でディスクを移動(自由落下を含む)させ、温度分布観測(計測)用の窓の位置にて停止させる。観測用窓を通して誘電体板の温度分布(の時間変化)を赤外線サーモグラフィー(赤外カメラ)にて測定する。温度分布測定が終了した後は、長時間の高周波電力を伝送するときの漏れ高周波による測定機構部の損傷を防ぐために、金属製の閉止板(真空用ゲートバルブ)を閉とし、漏れ高周波を遮断する。
Next, the operation of this apparatus will be described. The high-frequency power density measuring apparatus inserts a
一方、図2と図3は、本発明の測定方法を実施するための高周波電力分布測定装置の他の例の縦断面図を示したものである。図2は誘電体板3が導波管1における隙間2に挿入された状態の高周波電力密度分布測定装置の縦断面図を示すものである。この状態で、導波管中を伝搬する高周波が誘電体板3を通過するときに、高周波の電力密度分布に対応して誘電体の誘電損失よる発熱によって誘電体板3中の各部の温度が上昇する。図3は図2と同じ構成例であるが、誘電体板3が導波管1における隙間2から導波管の外に移動された状態の高周波電力密度分布測定装置の縦断面図を示すものである。
On the other hand, FIG. 2 and FIG. 3 show the longitudinal cross-sectional view of the other example of the high frequency electric power distribution measuring apparatus for enforcing the measuring method of this invention. FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the high-frequency power density distribution measuring apparatus in a state where the
図2の状態で高周波により温度上昇した誘電体板3は極めて短時間のうちに、導波管の隙間の位置から移動させられて、図3に示すように、導波管の外で停止させる。なお、導波管の隙間は2mm程度のギャップ幅が適切と考えられており、洩れる高周波の量は小さく抑えられる。この時、図3に示されているように、移動の後、停止した誘電体板3の位置の正面に、観測用窓4を設けておくことにより、誘電体板3中の温度分布を容易に測定することができる。観測用窓4のすぐ外に設置した赤外カメラなどの温度分布測定器5を使用し、誘電体板の温度分布が、観測用窓4を通して測定される。
The
この例では、既に述べたように、短時間に誘電体板3を導波管1の隙間から移動させ、停止させることが不可欠である。こうすることにより、温度分布から精度よく電流密度分布を算出できる。移動方法としては、例えば、次のような方法で行う。導波管の隙間に誘電体板3と誘電体板支持構造物8(1Kg)をモータ駆動にて挿入し、エアシリンダで駆動されるストッパーで固定する。高周波電力を誘電体板に透過させた後、高周波電力停止信号を用いてストッパーを外し、自由落下させ、キャッチャー機構で誘電体板を温度分布測定位置に固定する。
In this example, as already described, it is indispensable that the
図2と図3で示した例では、既に明らかになったように、図1の例と異なり、導波管1に直接観測用の窓を設ける必要が無いこと、従って、高周波の伝搬に与える影響を小さく抑えることができること、また、観測用の窓が誘電体板3の正面に位置することにより、精度の高い温度測定が、誘電体板3の全範囲において、実施することが可能となる。
In the example shown in FIG. 2 and FIG. 3, unlike the example of FIG. 1, it is not necessary to provide a direct observation window in the waveguide 1, and thus it is applied to high-frequency propagation. Since the influence can be suppressed to a small extent and the observation window is located in front of the
なお、これらの測定は真空を保持したまま実施されるので、時間を無駄にすることなく、効率よく実施することが可能である。また、図3に示す状態で、高周波の主伝送路を変更せず、高周波加熱装置の運転を行うことが可能である。さらに、観測用窓4と導波管1の間にスリットつき変換フランジ7を設けることにより、導波管の隙間から洩れた高周波がそれ以上広がっていくのを最小限にするとともに、冷却をすることにより、過熱などの問題が発生しないようにすることができる。 In addition, since these measurements are performed while maintaining the vacuum, it is possible to efficiently perform the measurement without wasting time. In addition, in the state shown in FIG. 3, it is possible to operate the high-frequency heating device without changing the high-frequency main transmission path. Furthermore, by providing a conversion flange 7 with a slit between the observation window 4 and the waveguide 1, it is possible to minimize further spreading of the high frequency leaked from the gap between the waveguides and to cool the waveguide. Thus, problems such as overheating can be prevented.
また、図3の状態で、導波管1と観測用窓4との間に設けたゲートバルブ6を閉じることにより、導波管の隙間から洩れる高周波を遮断することが可能となる。ここで、本装置による測定は短時間(0.5秒程度もしくはそれ以下)で行うことができる。
Further, in the state of FIG. 3, by closing the
一方、非測定時に導波管を伝送すべき高周波のパルス幅(持続時間)は 長時間(例えば、100‐1000秒)になるため、スリットからの漏れ電力が小さくても時間積分されたエネルギー量 が大きくなり、ゲートバルブを用いない場合は、誘電体や支持構造物が過熱する恐れがある。こうしたことから、ゲートバルブ6を閉じることにより、導波管の隙間2からの洩れ高周波を遮断し、誘電体や支持構造物の過熱を防ぐことが重要である。
On the other hand, since the high-frequency pulse width (duration) that should be transmitted through the waveguide during non-measurement is long (eg, 100-1000 seconds), the amount of energy integrated over time even if the leakage power from the slit is small When the gate valve is not used, the dielectric and the support structure may be overheated. For this reason, it is important to close the
既に述べたように、図2及び図3の構成例では、誘電体板3を短時間に移動し、かつ、停止させることになるが、その駆動力の例として、圧空などの動力を用いることができる。また、駆動力として重力を用いることもできる。一例として、誘電体板を重力を使って0.2-0.3m落下させ、停止させたとすると、0.2-0.3秒程度の時間で移動できることになる。この時、誘電体板3と構造的に一体化されている誘電体板支持構造物8とが、一緒に落下し、誘電体支持構造物8の下部を真空チャンバー9の内部に設けられた構造体を用いて停止させる構造をとることが可能である。図4に実際製作された構造の鳥瞰図を参考図として示した。
As already described, in the configuration examples of FIGS. 2 and 3, the
本発明の方法は、比較的小型の測定装置において実施でき、導波管数体が平行に接近して設置されている場合においても、各々の導波管にそれぞれ設置することも可能である。
導波管内の高周波の電力密度分布は最適分布から大幅にずれる場合が起こり得る。図5の(A)と(B)に導波管内部の高周波の電力密度分布の例を示した。図5(A)のように最適分布から大幅にずれた状況では、効率良い、高周波の伝送・高周波加熱に支障をきたすことになる。こうした状況を防ぎ、状況を改善するためには、まず、高周波の電力密度分布が最適分布にあるかどうか、ずれているとすればどの程度どのようにずれているか、把握する必要がある。こうした目的を実現するため、本発明の測定装置は有効であり、また不可欠である。
The method of the present invention can be implemented in a relatively small measuring apparatus, and can be installed in each waveguide even when the number of waveguides is installed close to each other in parallel.
The high frequency power density distribution in the waveguide can deviate significantly from the optimal distribution. FIGS. 5A and 5B show examples of high-frequency power density distribution inside the waveguide. In the situation where it deviates significantly from the optimum distribution as shown in FIG. 5A, efficient transmission of high frequency and high frequency heating are hindered. In order to prevent such a situation and improve the situation, it is first necessary to grasp whether or not the high-frequency power density distribution is in the optimum distribution, and if so, how much the deviation is. In order to realize such an object, the measuring apparatus of the present invention is effective and indispensable.
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