一种大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器技术方案

本发明专利技术属于微波技术领域，具体涉及一种大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器。本发明专利技术包括微波换向波导、安装基板、极化镜、极化镜转动机构及转动驱动机构；微波换向弯头用于传输高功率微波，实现微波传输方向90度换向；安装基板用于将极化镜及其转动与驱动机构定位在微波换向弯头上；极化镜用于反射微波，并在其旋转时实现微波极化形式的改变；极化镜转动机构用于实现真空环境下极化镜的转动；转动驱动机构用于实现对极化镜旋转的精确定位控制及保护；本发明专利技术定位精度高、远程快速可控、能够稳定高效传输MW量级长脉冲毫米波，能够满足电子回旋系统对微波极化形式任意控制要求。

【技术实现步骤摘要】
一种大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器
本专利技术属于微波
，具体涉及一种大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器。
技术介绍
在电子回旋共振加热系统中，微波达到共振层需要特定的微波极化形式以开展寻常(O)模或非寻常(X)模加热。O模及X模的比例依赖于微波极化形式和入射角度而变化，在改变等离子体运行参数或微波入射角度的同时必须改变微波极化形式，以达到波与等离子体的高效耦合。波源回旋管输出的微波通常为线极化波，一般在波的传输过程中需要利用极化器改变波的极化方式，以获得可使波与等离子体高效耦合的椭圆极化波或圆极化波。现有技术中的极化器，主要应用于功率为500MW、脉冲宽度为1s的电子回旋非真空传输系统中，存在以下不足之处：只能手动控制极化镜转动，响应速度慢、精度低，从而无法与天线实时联动，保证波与等离子体的高效耦合；传输系统中只配置一面极化镜，只能实现一定范围内微波极化形式的改变，无法实现微波极化特性的任意控制，从而导致波与等离子体的耦合效率降低；只能使用于非真空环境中，无法满足现在电子回旋单系统传输MW量级功率的要求。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术要提供一种大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器，用以解决现有技术无法使用在电子回旋真空传输系统中，并只能手动而导致定位精度不高且无法与天线自动匹配实现高效耦合的技术问题；本专利技术还用以解决真空条件下极化镜快速转动、旋转角度高定位精度精确控制等技术问题，以保证真空环境下极化镜平滑、可靠、准确转动。为了解决上述技术问题，本专利技术一种大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器，包括微波换向弯头，安装基板，极化镜，极化镜转动机构和转动驱动机构；微波换向弯头与电子回旋传输系统相连，用于传输高功率微波，实现微波传输方向90度换向；安装基板设置在微波换向弯头上，用于将极化镜、极化镜转动机构和转动驱动机构设置在微波换向弯头上；极化镜转动机构用于实现真空环境下极化镜的转动；转动驱动机构用于实现对极化镜旋转的精确定位控制及保护。进一步所述微波换向弯头为一体式换向弯头；所述微波换向弯头内壁为光滑曲面。进一步所述微波换向弯头硬铝材料加工。进一步所述微波换向弯头通过连接法兰与电子回旋传输系统对接，两者之间设置静密封O型圈实现真空密封。进一步所述安装基板中心开孔，安装基板与微波换向弯头通过螺钉连接，安装基板与微波换向弯头之间设置静密封O型圈实现真空密封。进一步所述极化镜转动机构包括支撑轴承、轴承座和旋转轴；轴承座为阶梯型圆筒结构，旋转轴穿过轴承座，并在旋转轴与轴承座上段之间设置支撑轴承，旋转轴下段与轴承座之间设置多级动密封O型圈，轴承座下端固定在安装基板。进一步所述轴承座与安装基板通过螺钉连接，轴承座与安装基板之间设置静密封O型圈实现真空密封。进一步所述转动驱动机构包括旋转平台、联轴器、电机、涡轮和蜗杆；电机通过联轴器驱动蜗杆转动，蜗杆带动涡轮转动，涡轮带动旋转平台转动，旋转平台带动旋转轴转动，旋转轴带动极化镜转动。进一步所述转动驱动机构还包括应急手动调节装置、应急手动调节装置设置在电机上，保证在停电及控制故障情况下实现电机的应急制动保护。进一步所述旋转平台包括上盖板和外套筒，外套筒套在轴承座外，上端盖中心开非圆形孔，上盖板盖合在外套筒上，旋转平台与轴承座间隙配合，旋转平台绕轴承座旋转；旋转轴上部与旋转平台上盖板的中心非圆形孔配合。进一步所述极化镜位于安装基板与微波换向弯头形成的空腔中，极化镜镜面朝向微波入口，且与微波入射方向呈45度夹角，旋转轴为阶梯圆柱结构，旋转轴下端穿过安装基板的中心开孔与极化镜背面连接，安装基板的中心开孔半径小于极化镜半径。进一步所述极化镜为衍射光栅极化镜，用于反射微波，并在极化镜旋转时实现微波极化形式的改变。进一步所述极化镜为矢量衍射光栅极化镜，极化镜镜面加工有均匀对称槽纹结构。进一步所述极化镜镜面加工的均匀对称槽纹结构为矩形槽纹结构或非矩形槽纹结构。进一步所述极化镜镜面加工的均匀对称槽纹结构为连续正弦波纹结构。进一步所述极化镜镜面的连续正弦波纹结构的中心位置为波谷。进一步所述极化镜由无氧铜材料加工制成。进一步所述极化镜表面连续正弦波纹结构的正弦波振幅和周期依据微波的波长、微波入射角、微波反射角、极化镜的椭圆主轴旋转角α和极化镜的椭圆率β角确定。进一步所述极化镜镜面为连续正弦波纹结构f(x)＝dcos(2πx/p)/2，其中d表示槽纹深度，单位，mm；p表示槽纹周期，单位，mm；x表示槽纹的横向截面方向。进一步所述极化镜镜面的槽纹深度取微波波长的不同倍数时，可分别改变微波的椭圆极化参数与线极化参数。进一步所述极化镜镜面的槽纹深度均选定为微波波长的0.35倍。进一步改变微波椭圆极化参数的极化镜镜面的槽纹深度为微波波长的0.3倍，改变微波线极化参数的极化镜镜面的槽纹深度为微波波长的0.434倍。进一步该极化镜还包括转动控制系统，转动控制系统包括控制器和逻辑控制器，控制器实时准确获知极化器转动方位信息；逻辑控制器对电机进行远程参数设置及转动控制，并通过以太网与电子回旋主控系统通讯。进一步所述转动控制系统用于对电机的远程参数设置及转动控制；电机的控制方式为脉冲控制方式控制。进一步所述涡轮的输出孔内径为60mm。进一步所述静密封O型圈为金属密封圈结构。进一步所述静密封O型圈为Helicoflex型金属密封圈。进一步旋转轴和轴承座之间所设置多级动密封O型圈为为威尔逊动密封结构；多级动密封O型圈之间填充黏度高，挥发性小的润滑脂。进一步旋转轴和轴承座之间所设置多级动密封O型圈级数为3级或3级以上。进一步所述旋转平台分辨率小于0.1°，重复定位精度小于0.01°。本专利技术实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)本专利技术合理优化设计极化镜的槽纹结构，以满足任意极化的需求；(2)本专利技术旋转定位精度满足要求，以保证微波以特定的极化形式注入等离子体；(3)本专利技术作为一种高功率长脉冲毫米波传输部件，要求极化器所造成的微波功率损耗应尽可能小，以保证传输系统的效率；(4)本专利技术考虑到快速可控极化器将用于真空传输系统中，其真空度要求为10-3Pa，真空漏率要求为10-9Pa·m3/s；(5)本专利技术能够在控制室进行远程精确控制，以便于工作人员在实验期间执行极化器转动动作且能够实现与天线的联动控制；(6)本专利技术的电子回旋共振加热系统快速可控极化器适用于电子回旋MW量级真空传输系统中，能够实现对极化镜的可靠、精确、快速的转动控制，同时本专利技术可实现微波极化形式任意改变、高定位精度、远程快速可控的极化器。附图说明图1为本专利技术一种大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器主视图；图2为本专利技术一种大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器俯视图；图3为本专利技术一种大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器剖视图；图4为本专利技术一种大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器转动机构及转动驱动机构示意图；图5为微波极化参数主轴旋转角α以及椭圆率β的定义示意图；图6为本专利技术一种大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器的极化镜示意图；图7为本专利技术椭圆极化镜理论计算与低功率实测结果对比图；图8为本专利技术线极化镜理论计算与低功率实测结果对比图；图中：1-微波换向弯头，2-安装基板，3-极化镜，4-静密封O型圈本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器，其特征在于，该极化器包括：微波换向弯头(1)，安装基板(2)，极化镜(3)，极化镜转动机构和转动驱动机构；微波换向弯头(1)与电子回旋传输系统相连，用于传输高功率微波，实现微波传输方向90度换向；安装基板(2)设置在微波换向弯头(1)上，用于将极化镜(3)、极化镜转动机构和转动驱动机构设置在微波换向弯头(1)上；极化镜转动机构用于实现真空环境下极化镜(3)的转动；转动驱动机构用于实现对极化镜(3)旋转的精确定位控制及保护。

【技术特征摘要】
1.一种大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器，其特征在于，该极化器包括：微波换向弯头(1)，安装基板(2)，极化镜(3)，极化镜转动机构和转动驱动机构；微波换向弯头(1)与电子回旋传输系统相连，用于传输高功率微波，实现微波传输方向90度换向；安装基板(2)设置在微波换向弯头(1)上，用于将极化镜(3)、极化镜转动机构和转动驱动机构设置在微波换向弯头(1)上；极化镜转动机构用于实现真空环境下极化镜(3)的转动；转动驱动机构用于实现对极化镜(3)旋转的精确定位控制及保护。2.根据权利要求1所述的大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器，其特征在于，所述微波换向弯头(1)为一体式换向弯头；所述微波换向弯头(1)内壁为光滑曲面。3.根据权利要求1或2所述的大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器，其特征在于，所述微波换向弯头(1)硬铝材料加工。4.根据权利要求1或2所述的大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器，其特征在于，所述微波换向弯头(1)通过连接法兰与电子回旋传输系统对接，两者之间设置静密封O型圈(4)实现真空密封。5.根据权利要求1所述的大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器，其特征在于，所述安装基板(2)中心开孔，安装基板(2)与微波换向弯头(1)通过螺钉连接，安装基板(2)与微波换向弯头(1)之间设置静密封O型圈(4)实现真空密封。6.根据权利要求5所述的大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器，其特征在于，所述极化镜转动机构包括支撑轴承(6)、轴承座(7)和旋转轴(8)；轴承座(7)为阶梯型圆筒结构，旋转轴(8)穿过轴承座(7)，并在旋转轴(8)与轴承座(7)上段之间设置支撑轴承(6)，旋转轴(8)下段与轴承座(7)之间设置多级动密封O型圈(5)，轴承座(7)下端固定在安装基板(2)。7.根据权利要求6所述的大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器，其特征在于，所述轴承座(7)与安装基板(2)通过螺钉连接，轴承座(7)与安装基板(2)之间设置静密封O型圈(4)实现真空密封。8.根据权利要求1或6所述的大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器，其特征在于，所述转动驱动机构包括旋转平台(9)、联轴器(10)、电机(11)、涡轮(13)和蜗杆(14)；电机(11)通过联轴器(10)驱动蜗杆(14)转动，蜗杆(14)带动涡轮(13)转动，涡轮(13)带动旋转平台(9)转动，旋转平台(9)带动旋转轴(8)转动，旋转轴(8)带动极化镜(3)转动。9.根据权利要求8所述的大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器，其特征在于，所述转动驱动机构还包括应急手动调节装置(12)、应急手动调节装置(12)设置在电机(11)上，保证在停电及控制故障情况下实现电机(11)的应急制动保护。10.根据权利要求8所述的大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器，其特征在于，所述旋转平台(9)包括上盖板和外套筒，外套筒套在轴承座(7)外，上端盖中心开非圆形孔，上盖板盖合在外套筒上，旋转平台(9)与轴承座(7)间隙配合，旋转平台(9)绕轴承座(7)旋转；旋转轴(8)上部与旋转平台(9)上盖板的中心非圆形孔配合。11.根据权利要求6所述的大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器，其特征在于，所述极化镜(3)位于安装基板(2)与微波换向弯头(1)形成的空腔中，极化镜(3)镜面朝向微波入口，且与微波入射方向呈45度夹角，旋转轴(8)为阶梯圆柱结构，旋转轴(8)下端穿过安装基板(2)的中心开孔与极化镜(3)背面连接，安装基板(2)的中心开孔半径小于极化镜(3)半径。12.根据权利要求1或11所述的大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器，其特征在于，所述极化镜(3)为衍射光栅极化镜，用于反射微波，并在极化镜(3)旋转时实现微...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄梅，陈罡宇，夏冬辉，银刚，张峰，
申请(专利权)人：核工业西南物理研究院，
类型：发明
国别省市：四川,51