105/140 GHz双频兆瓦回旋管实现1.0 MW脉冲输出

报道了聚变应用的MW级双频（105/140 GHz）回旋管的最新实验进展。该回旋管的谐振腔、准光模式变换器、输出窗采用了双频共用的设计,电子枪采用了双频复用的双阳极磁控注入枪,收集极采用单极降压。最新的实验表明:在重频1 Hz短脉冲条件下,在105 GHz点和140 GHz点,测试得到脉冲功率分别为710 kW和1.057 MW,对应总效率分别为34%和49%。这是国内首次在回旋管实验中实现1.0 MW功率输出。     

28 GHz/50 kW准光输出连续波回旋管

研制出国内首支基于电子回旋加热应用的28 GHz/50 kW准光输出大功率连续波回旋管。该回旋管采用了双阳极磁控注入枪,TE₀₂模式谐振腔,内置准光模式变换器,单级降压收集极。回旋管采用无液氦制冷超导磁体提供稳态磁场。实验中成功实现54.8 kW/1 s短脉冲输出和45.8 kW/30 s的连续波输出,工作频率为28.08 GHz,总效率达到57%。     

双频回旋管内置准光模式变换器设计

回旋管一般使用准光模式变换器实现高阶腔体模式到高斯波束的转换。结合标量衍射理论、KS迭代算法、几何光学、最小均方法等方法设计了工作频率为140 GHz(TE24,9)和105 GHz(TE18,7)的双频准光模式变换器。仿真结果显示所设计的准光模式变换器工作频率为140 GHz(TE24,9)时能量传输效率99.0%、高斯含量99.7%,工作频率为105 GHz(TE18,7)时能量传输效率97.3%、高斯含量98.0%。能够满足MW级双频回旋管的应用需求。     

自研28 GHz/50 kW回旋管实现长时间连续运行

介绍了中国工程物理研究院应用电子学研究所针对磁约束聚变装置电子回旋共振加热（ECRH）系统、重离子加速器电子回旋共振（ECR）离子源以及前沿科技探索应用研制的28 GHz/50 kW连续波回旋管最新实验结果。研究团队在2019年该回旋管实现50 kW/30 s运行的基础上,通过结构优化和稳定性设计验证,最终实现了在10～50 kW功率范围多个功率水平的稳定长时间连续运行,典型运行结果为16 kW/3 000 s、26 kW/900 s、46 kW/1 800 s、50 kW/300 s,特别在输出功率32 kW连续稳定工作了400 min。这是国内首次研制出小时级连续工作的中等功率回旋管。     

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HL-2A装置电子回旋共振加热系统的主要指标是2MW/1s/68GHz,系统由4个单元组成,每个单元包括一只回旋管,微波传输系统,控制保护测量和冷却等子系统。通过对ECRH系统和回旋管的调试,每只管子微波输出功率500kW,脉冲宽度1s,四管并联运行时总输出功率达到1.63MW,系统使用效率高于80%。     

4mm回旋管用超导磁体的研制和应用

研制了一个用于4mm 回旋管的超导磁体,其主磁场达到3T.与回旋管配合产生基波长脉冲,输出功率大于60KW,脉冲宽度10—20ms,工作频率70GHz.用于 HL-1托卡马克成功地进行了等离子体预电离实验.     

TE_(02)模式95 GHz三次谐波回旋管实验

首次实现W波段三次谐波回旋管输出功率突破10kW。谐波回旋管互作用结构采用带有光阑结构的圆柱型开放式谐振腔,工作模式为低损耗圆对称模式TE02。实验中,在脉冲宽度20μs、电子束电压45kV、电流3A、磁场1.23T时,测得工作频率为95.22GHz,输出功率13.4kW,对应效率9.9%。     

全三维110GHz和220GHz同轴腔双注回旋管数值模拟研究

为了打破传统单注回旋管只能产生较低功率的局限性, 本文基于自主研发的PIC粒子模拟软件CHIPIC 对110 GHz和220 GHz同轴腔双注回旋管进行全三维数值模拟研究. 在理论分析同轴双电子注电子枪设计模型和初始参数的基础上通过CHIPIC对其进行优化设计, 得到了具有横纵速度比为1.0, 最大速度零散约为5.4%的高性能电子束; 并将此优化后的双阳极双注电子枪取代传统回旋管数值模拟时采用的回旋 发射进行110 GHz和220 GHz双注回旋管整管的数值模拟, 并采用MPI四进程并行计算, 最终获得了具有双频分别为110 GHz和220 GHz、模式为TE₀₂模、平均输出功率约在70 kW、 效率达到8.75%的高性能双注回旋振荡管. 关键词： 同轴腔双注回旋管 同轴双电子注电子枪 横纵速度比 速度零散     

HL-2A装置ECRH高压电源分析计算和模拟仿真

HL-2A装置电子回旋共振加热系统主要由4只68GHz，550kW，脉宽1s，管体接地，阴极电压-55kv，阳极电压25kV，电流25A的回旋管组成。本文介绍的ECRH高压电源是同旋管的主高压电源，它主要用于加速束电流，提供直流输入功率．主高压电源的稳定对有效地提高回旋管的电功率与微波功率的转换效率起着重要的作用。     

HL-2M 装置电子回旋共振加热及电流驱动系统设计与研制进展

根据 HL-2M 装置物理实验加热的需求,完成了总功率为 8MW 的电子回旋共振加热及电流驱动 (ECRH/ECCD)系统设计,开展了波源、传输及天线等关键部件研制。8MW ECRH/ECCD 系统,由 8 套 105GHz/  1MW/3s 波源系统、8 条内径为 63.5mm 的真空传输线及三套极向实时可控的发射天线构成。目前,已完成 ECRH/ECCD 系统关键部件研制及其相关的桌面与高功率性能测试。测试结果表明,微波源回旋管输出微波功率 达到1MW/3s,在真空度为 10^‒2Pa 的过模波纹圆波导传输线中能低耗稳定传输,发射天线极向全量程角度转动响 应时间在 50ms 以内。      

1.8 T直流磁体94 GHz连续波二次谐波回旋管

首次实现直流磁体W波段二次谐波回旋管连续波稳定运行。回旋管工作时所需1.8 T磁场由一个水冷直流线圈产生。直流线圈励磁电流为500 A,功耗28 kW,内孔直径66 mm,可直接将回旋管插入内孔中。回旋管内电子束由双阳极磁控注入电子枪产生。采用高效率内置准光模式变换器实现束波分离并输出准高斯波束。研制的回旋管工作频率为94.08 GHz,腔内工作模式为TE₀₂。实验中成功实现5 min连续稳定运行,输出功率达到12 kW。电子束电压为45 kV,电流1.7 A,对应的输出效率15.7 %。     

Q波段回旋行波管新型盒型输出窗的设计

利用等效电路理论,初步设计了窗片厚度为1.32mm的回旋行波管盒型输出窗,再加入感性膜片,更改窗片形状,最终设计出了能承受25kW平均功率、相对带宽达到14%、窗片厚度达到1.7mm的Q波段新型宽频带回旋行波管盒型输出窗;采用高频软件HFSS与有限元分析软件ANSYS协同仿真的新方法对回旋行波管盒型窗进行热特性研究表明,盒型窗理论上功率容量达到62kW平均功率,说明输出窗窗片承受25kW平均功率的可行性,窗片中心与边缘的温差为66℃,没有达到陶瓷窗片的临界温差158℃,验证了新型盒型窗设计的合理性。     

HL-1M装置离子回旋共振加热系统及初步实验

新建成的HL-1M装置离于回旋共振加热(ICRH)射频系统,经工程联调,已达到输出功率500kW、脉宽100ms、频率26～36MHz。在环向场B     

W波段连续波30 kW回旋振荡管高频系统和收集极的设计

 根据回旋管的电子回旋脉塞理论,借助于编写的回旋振荡管自洽非线性注-波互作用计算程序,设计出了工作频率94 GHz、工作电压30 kV、工作电流3 A的基次谐波连续波单腔回旋振荡管,工作模式为TE02模。设计的回旋振荡管在电压30.0 kV、电流3.0 A、速度横纵比1.5的条件下,获得了31.8 kW的输出功率,电子效率约35％。利用粒子模拟仿真软件对设计的回旋管收集极辅助线包散焦系统进行了粒子模拟仿真分析,模拟结果表明：借助于辅助线包散焦系统可以有效缩短回旋振荡管的轴向尺寸,并使回旋管收集极上的电子束功率密度低于500 W/cm2; W波段回旋振荡管收集极的热测试验结果表明：利用粒子模拟仿真获得的收集极上的电子束功率密度分布与其试验测量结果比较吻合。     

W波段三次谐波回旋管实验研究

国内首次成功进行W波段三次谐波回旋管实验。回旋管工作模式为TE61,磁场1.2 T,采用拍频法测定工作频率为94.86 GHz。电子束电压为45 kV时,电流1.6 ~ 4.4 A范围内都观测到了三次谐波振荡信号。采用焦热计测定最大输出功率4.9 kW,效率约 3%。     

HL-1M装置ECRH系统的研制与实验

在HL-1M装置上研制了一套75GHz、500kW／50ms的大型电子回旋共振加热系统，设计了准光学传输系统和顶部、水平两套天线，对系统进行了调试，获得了最佳的系统参数和运行条件，并开展了各种O模和X模实验。在单管250kW的基波0模的实验中，获得电子温度提高40％，电流位形负剪切分布以及鱼骨模不稳定性研究等重要的物理实验结果。     

回旋行波管的全固态Marx高压脉冲调制器设计

为回旋行波管设计了全固态近方波Marx高压脉冲调制器,设计参数:输出电压70kV,输出电流15A,工作频率0~2kHz可调,脉宽200μs可调,功率容量可以达到百kW级。设计利用串联IGBT作为控制开关,利用FPGA通过光纤传输的方式对IGBT进行逻辑控制、电路保护和监测,补偿单元利用FPGA控制IGBT自动补偿的方式对顶部压降进行补偿,使得输出电压平顶度达到±1%。对电路各个部分进行仿真及测试。结果验证此设计方案的可行性,可以提高回旋管电源的稳定性和工作频率,减小调制器体积及维护成本,并为高压测试提供了实验基础。     

3mm回旋行波管微波等离子体化学气相沉积金刚石输出窗

为了解决目前3mm回旋行波管所使用的蓝宝石输出窗因功率容量不足而发生破裂的问题。从抗热震性和功率容量两个方面出发,对常用的几种窗片材料进行了对比。在国内首次以微波等离子体化学气相沉积金刚石为窗片材料,利用数值计算及ANSYS软件仿真设计了用于3mm回旋行波管的低反射,低吸收,宽带宽,高功率容量的输出窗。结果表明,所设计的输出窗适用于TE01模式输出,其S11参数小于-20dB的带宽为6GHz。同时,该输出窗具有良好的抗热震性,在自然对流散热条件下具有61kW的功率容量。     

TZ-2型高压脉冲调制器的研制

在HL-2A装置上将开展多项辅助加热实验，其中电子回旋波加热实验研究是等离子体二级加热的手段之一。今年从俄罗斯引进了两只500kW的回旋管，可做1Mw电子回旋共振加热实验。为此，我们根据电子回旋加热实验的要求研制了两套TZ-2型高压脉冲调制器，在今年的物理实验中验证了它的可靠性，其性能的稳定和安全满足了实验的要求。电子回旋加热的功率为200-300kW，脉冲宽度1000ms，在实验中观察到电子温度上升约200eV，同时也观察到热辐射和X射线辐射的上升，为进一步开展大功率长脉冲实验打下了基础。     

95 GHz三次谐波回旋管设计

采用线性理论和非线性理论研究了回旋管谐振腔结构、寄生模式抑制及注波互作用等问题。设计了一支工作在95 GHz的三次谐波回旋管,注波互作用结构采用标准开放式谐振单腔,工作模式为TE64, 采用电压45 kV、电流5 A、横纵速度比为1.5的小回旋电子注。在不考虑电子注速度离散及厚度的情况下,非线性理论分析表明,该回旋管可以获得14 kW功率输出,横向互作用效率约为18%,整管效率约11%。