一種高功率長脈沖電子回旋加熱共振系統(tǒng)假負(fù)載的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高功率長脈沖電子回旋加熱共振系統(tǒng)假負(fù)載，其特征在于：包括中空圓柱體；中空圓柱體軸向的一端為微波輸入端口，中空圓柱體軸向的另一端設(shè)置有反射鏡，反射鏡為彎向中空圓柱體內(nèi)部的凸鏡，凸鏡曲面中心處設(shè)有一凸起；中空圓柱體內(nèi)壁盤旋纏繞有內(nèi)部水路，內(nèi)部水路與設(shè)置在中空圓柱體外部的外部水路連接。凸鏡的曲率半徑為216.3mm，凸起的曲率半徑為28.75mm，凸起的高度為7.86mm。本發(fā)明可以滿足高功率長脈沖電子回旋共振加熱系統(tǒng)微波功率測量要求，功率容量為500kW/3s，而且結(jié)構(gòu)簡單。
【專利說明】一種高功率長脈沖電子回旋加熱共振系統(tǒng)假負(fù)載【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高功率長脈沖電子回旋加熱共振系統(tǒng)假負(fù)載，特別是涉及一種涉及等離子體加熱中電子回旋共振加熱系統(tǒng)輸出功率測量和標(biāo)定所需的功率容量為500kff/3s的假負(fù)載，頻率為50-170GHz。
【背景技術(shù)】
[0002]在受控核聚變研究領(lǐng)域，為了使等離子體溫度達(dá)到點火溫度，必須采用輔助加熱手段，從而實現(xiàn)可以控制的核聚變反應(yīng)。電子回旋共振加熱(ECRH)因其具有加熱效率高、系統(tǒng)靈活、局域加熱及可控性強(qiáng)等特點，被廣泛的用于聚變研究。
[0003]電子回旋共振加熱系統(tǒng)中，為了更準(zhǔn)確的描述電子回旋波對等離子體的加熱和電流驅(qū)動等效果，需要對系統(tǒng)的微波功率進(jìn)行測量和標(biāo)定。HL-2A裝置上單套ECRH系統(tǒng)的微波特點是功率高且脈寬長(功率500kW及以上，脈寬3s)，導(dǎo)致微波功率的直接測量難度較大，需要將微波能量轉(zhuǎn)換成其它形式的能量再進(jìn)行測量，常用的做法是將微波能量轉(zhuǎn)換成水的熱能，再通過量熱法進(jìn)行測量。因此，需要研究用于高功率長脈沖電子回旋共振加熱系統(tǒng)的假負(fù)載，將微波能量轉(zhuǎn)換成水的熱能。
[0004]假負(fù)載需要滿足以下要求:(I)功率容量大，能夠滿足功率500kW，脈寬3s微波功率測量要求；(2)能量轉(zhuǎn)換效率高，能將微波能量高效的轉(zhuǎn)換成水的能量，以保證測量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種針對電子回旋共振加熱系統(tǒng)微波功率測量和標(biāo)定的要求，能夠滿足高功率長脈沖微波功率測量要求且能量轉(zhuǎn)換效率高的，使測量系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的測量微波功率的假負(fù)載。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一種高功率長脈沖電子回旋加熱共振系統(tǒng)假負(fù)載，其特征在于:包括中空圓柱體；中空圓柱體軸向的一端為微波輸入端口，中空圓柱體軸向的另一端設(shè)置有反射鏡，反射鏡為彎向中空圓柱體內(nèi)部的凸鏡，凸鏡曲面中心處設(shè)有一凸起；中空圓柱體內(nèi)壁盤旋纏繞有內(nèi)部水路，內(nèi)部水路與設(shè)置在中空圓柱體外部的外部水路連接。
[0007]凸鏡的曲率半徑為216.3mm,凸起的曲率半徑為28.75mm,凸起的高度為7.86mm。
[0008]中空圓柱體軸向長度為1517mm,中空圓柱體的外直徑為276mm。
[0009]內(nèi)部水路為4組，每組水路各設(shè)有一個進(jìn)水口和一個出水口，4個進(jìn)水口與外部水路的進(jìn)水管連接，4個出水口與外部水路的出水管連接。
[0010]內(nèi)部水路的水管為聚四氟乙烯水管。
[0011]中空圓柱體的材料為不銹鋼。
[0012]本發(fā)明可以滿足高功率長脈沖電子回旋共振加熱系統(tǒng)微波功率測量要求，功率容量為500kW/3s，而且結(jié)構(gòu)簡單?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明所提供的一種高功率長脈沖電子回旋加熱共振系統(tǒng)假負(fù)載的示意圖。
[0014]圖2為凸鏡的示意圖。
[0015]圖中:1為微波輸入端口，2為中空圓柱體，3為外部水路，4為內(nèi)部水路，5為反射鏡。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0017]假負(fù)載的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括中空圓柱體2 ;中空圓柱體2軸向的一端與傳輸系統(tǒng)導(dǎo)波元件相連，作為微波輸入端口 I。導(dǎo)波元件與微波輸入端口 I通過專門設(shè)計的過渡段實現(xiàn)無縫連接。中空圓柱體2軸向的另一端通過螺釘固定有反射鏡5 ;中空圓柱體2內(nèi)壁盤旋纏繞有內(nèi)部水路4，內(nèi)部水路4與設(shè)置在中空圓柱體2外部的外部水路3連接。
[0018]微波輸入端口 I通過特殊設(shè)計的過渡段與傳輸系統(tǒng)的導(dǎo)波元件波紋波導(dǎo)相連，從而接受從電子回旋共振加熱系統(tǒng)波源器件回旋管輸出的微波，進(jìn)而進(jìn)行微波功率測量；中空圓柱體保證了微波在自由空間的傳播，圓柱體的尺寸可以保證微波在傳播到反射鏡之前不與圓柱體內(nèi)壁接觸；水路分為內(nèi)部水路4和外部水路3，內(nèi)部水路4纏繞在整個圓柱體內(nèi)壁以保證微波能量的充分系統(tǒng)和防止微波泄漏，外部水路3作為水的輸入和輸出端，保證能量及時被水帶走；反射鏡5可以使微波波束發(fā)散，從而降低微波功率密度，同時發(fā)散的微波將傳播到假負(fù)載內(nèi)壁，能量被纏繞在內(nèi)壁的水管吸收，轉(zhuǎn)換成水的熱能。
[0019]假負(fù)載設(shè)計過程中，為確定假負(fù)載的尺寸和反射鏡的曲面設(shè)計，需要分析微波在自由空間的傳播特性。本例中，回旋管輸出微波頻率為68GHz，導(dǎo)波元件為波紋波導(dǎo)，微波在波紋波導(dǎo)內(nèi)的傳輸模式為混合模HE11模。HE11模在自由空間的傳播可以用近似用高斯模的傳播來表不，如圖2所不。其中，橫坐標(biāo)Z為微波傳播方向(軸向)，r為徑向方向，空間某一點(Z，r)處微波的強(qiáng)度用色彩表示。從圖2可知，在Z=O處微波功率基本集中在中心r=0附近，隨著Z的增大，微波功率逐漸發(fā)散。在設(shè)計假負(fù)載的過程中，需要根據(jù)微波的傳輸特性，通過設(shè)計合理的圓柱體長度及半徑保證微波在到達(dá)反射鏡前不與圓柱體內(nèi)壁接觸，同時反射鏡的曲面需要根據(jù)反射鏡處微波的功率分布及相位特性等進(jìn)行設(shè)計。本例中，中空圓柱體軸向長度為1517mm，中空圓柱體的外直徑為276mm。
[0020]反射鏡是假負(fù)載中的關(guān)鍵部件，設(shè)計成凸鏡形式，保證微波反射后能夠發(fā)散到整個假負(fù)載內(nèi)部空間中。反射鏡的結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個曲面基本為拋物面，并彎向中空圓柱體2內(nèi)部，曲面中心處有一凸起，拋物面及凸起的曲率和曲率半徑等參數(shù)主要依據(jù)微波的特性如強(qiáng)度及相位等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。反射鏡采用硬鋁材質(zhì)加工，可以使由反射鏡造成的微波損耗盡可能小，從而保證測量精度。本例中，凸鏡的曲率半徑為216.3mm,凸起的曲率半徑為28.75mm,凸起的高度為7.86mm。
[0021]假負(fù)載的主體結(jié)構(gòu)中空圓柱體2由不銹鋼構(gòu)成，假負(fù)載內(nèi)部設(shè)計有四個獨立的水路，由纏繞在假負(fù)載內(nèi)壁的聚四氟乙烯水管構(gòu)成，可以很好的吸收微波功率，保證測量精度，同時水管尺寸和水流量經(jīng)過設(shè)計可以保證微波功率被完全吸收的同時水的溫升不至于過高；外部水路3由不銹鋼構(gòu)成，水在進(jìn)水口處一分為四，通過內(nèi)部水路4在出水口處合為一路后流出；假負(fù)載的尺寸經(jīng)過專門設(shè)計和計算，保證了微波在假負(fù)載內(nèi)的自由傳播。
[0022]下面說明假負(fù)載的準(zhǔn)直過程。
[0023]假負(fù)載作為微波功率測量的重要部件，在使用時需要保證微波的波矢方向與假負(fù)載的軸線重合，以保證微波功率測量的準(zhǔn)確性，因此在使用之前需要對假負(fù)載進(jìn)行準(zhǔn)直。主要包括一些幾個步驟:(I)將假負(fù)載與傳輸系統(tǒng)的導(dǎo)波元件通過特殊設(shè)計的過渡段進(jìn)行連接，同時取下反射鏡，用同尺寸的熱敏紙?zhí)娲?2)調(diào)節(jié)回旋管的參數(shù)使得輸出150kW/10ms左右的微波，觀測熱敏紙微波的分布情況，找出功率分布的中心點；(3)若中心點在假負(fù)載的軸線上，則準(zhǔn)直過程完成。反之則需要根據(jù)中心點的位置調(diào)整假負(fù)載的位置，重復(fù)前面的過程直至準(zhǔn)直完成。
【權(quán)利要求】
1.一種高功率長脈沖電子回旋加熱共振系統(tǒng)假負(fù)載，其特征在于:包括中空圓柱體；所述中空圓柱體軸向的一端為微波輸入端口，所述中空圓柱體軸向的另一端設(shè)置有反射鏡，所述反射鏡為彎向中空圓柱體內(nèi)部的凸鏡，所述凸鏡曲面中心處設(shè)有一凸起；所述中空圓柱體內(nèi)壁盤旋纏繞有內(nèi)部水路，所述內(nèi)部水路與設(shè)置在中空圓柱體外部的外部水路連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高功率長脈沖電子回旋加熱共振系統(tǒng)假負(fù)載，其特征在于:所述凸鏡的曲率半徑為216.3mm，所述凸起的曲率半徑為28.75mm,凸起的高度為7.86mm0
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高功率長脈沖電子回旋加熱共振系統(tǒng)假負(fù)載，其特征在于:所述中空圓柱體軸向長度為1517mm,所述中空圓柱體的外直徑為276mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高功率長脈沖電子回旋加熱共振系統(tǒng)假負(fù)載，其特征在于:所述內(nèi)部水路為4組，每組水路各設(shè)有一個進(jìn)水口和一個出水口，所述4個進(jìn)水口與外部水路的進(jìn)水管連接，所述4個出水口與所述外部水路的出水管連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高功率長脈沖電子回旋加熱共振系統(tǒng)假負(fù)載，其特征在于:所述內(nèi)部水路的水管為聚四氟乙烯水管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高功率長脈沖電子回旋加熱共振系統(tǒng)假負(fù)載，其特征在于:所述中空圓柱體的材料為不銹鋼。
【文檔編號】G01R1/28GK103995159SQ201310054777
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2013年2月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月20日
【發(fā)明者】周俊, 陳罡宇, 王賀, 饒軍 申請人:核工業(yè)西南物理研究院