Устройство ввода СВЧ-мощности в разрядную камеру экспериментальной установки

Full Text

1. ВВЕДЕНИЕ

Предыонизация используется в качестве обязательной части сценария разряда в вакуумной камере токамаков, сооружаемых и действующих во многих странах мира в ходе широкой международной кооперации по созданию научно-технических основ термоядерной энергетики [1]. Применение сверхвысокочастотной (СВЧ) предыонизации на частоте электронно-циклотронного резонанса – простой и надежный способ решения вопроса. Проблема состоит в том, что, во-первых, вакуумное окно камеры имеет цилиндрическую форму, а выход СВЧ-генератора – прямоугольный волновод; во-вторых, диэлектрическая проницаемость вакуумного окна существенно больше единицы, к тому же металлические мембраны его крепления также представляют значительную неоднородность для распространения электромагнитной волны; в-третьих, питающий волноводный тракт и разрядная камера токамака должны быть гальванически развязаны.

2. ПОСТРОЕНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ

2.1. Материалы и методы

Построение расчетной модели, расчет электродинамических параметров, оптимизация конфигурации и геометрических размеров элементов волноводного тракта проводились с помощью программы Ansys High Frequency Structure Simulator (HFSS) [2].

2.2. Преобразователь типов колебаний

Выход СВЧ-генератора представляет собой одномодовый (Н₁₀) прямоугольный волновод сечением 110 × 55 мм². Диаметр патрубка крепления вакуумного окна составляет 155 мм, в нем может распространяться 5 мод электромагнитных колебаний на частоте 2.45 ГГц. Между ними был размещен согласующий трансформатор/преобразователь в виде отрезка прямоугольного волновода с увеличенным размером по узкой стенке (рис. 1).

 

Рис. 1. Преобразователь типов колебаний.

 

В результате проведенной оптимизации размеров трансформатора получены следующие значения: длина “ступеньки” – 100 мм, высота волновода – 94 мм. Расчетные параметры согласования такого преобразователя приведены на рис. 2.

 

Рис. 2. Частотная характеристика коэффициента стоячей волны (КСВ) преобразователя типов колебаний.

 

2.3. Согласование тракта с вакуумным окном

Вакуумное окно выполняется, как правило, из радиопрозрачного материала с высокой диэлектрической проницаемостью. Кроме того, металлическая мембрана крепления окна к фланцу представляет собой весьма существенную неоднородность для волновода, которая также вызывает значительные отражения волны. Для компенсации отражений был использован так называемый диэлектрический трансформатор, выполненный из фторопласта (рис. 3).

 

Рис. 3. Часть сечения электромагнитной модели трансформатора (1) для “просветления” вакуумного окна (2), линия протекания поверхностных токов (3).

 

Толщина трансформатора (18.6 мм) и его расположение относительно окна (11 мм от поверхности стекла) были выбраны в результате двухпараметрической оптимизации. Расчетный КСВ волноводного тракта в этом месте составил порядка 1.2–1.25.

2.4. Гальваническая развязка

Поскольку вакуумная камера должна находиться под “плавающим” потенциалом или же быть соединена с “диагностической землей”, а магнетрон вместе с питающим волноводом – с “силовой землей”, между ними должна быть предусмотрена гальваническая развязка. Для подавления СВЧ-излучения во внешнюю среду было продумано так называемое дроссельное сочленение в месте гальванического разрыва волноводного тракта. Поскольку это сочленение выполнено в цилиндрической части тракта, появилась возможность сделать его подвижным, что позволяет подстраивать длину волновода от магнетрона до камеры и поворачивать плоскость поляризации бегущей волны для улучшения согласования СВЧ-генератора с нагрузкой. На рис. 4 представлена часть продольного сечения расчетной модели дроссельного сочленения с распределением амплитуды электрической составляющей электромагнитного поля в волноводе. Внутренний диаметр дроссельной канавки – 94 мм, наружный диаметр запирающего кольца – 91 мм, продольные размеры дросселя не столь критичны, они могут быть выбраны из конструктивных соображений.

 

Рис. 4. Дроссельное сочленение. Область гальванической развязки отмечена стрелкой.

 

Как видно на рис. 4, в области разрыва проводящей поверхности (это место отмечено стрелкой) амплитуда поля близка к нулю. Модельный расчет внешних полей показывает, что при прохождении по волноводному тракту электромагнитной волны мощностью 3 кВт излучение во внешнюю среду не должно превышать 1.5 Вт.

3. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЕКТА

3.1. Общая схема устройства ввода мощности

На рис. 5 представлена общая схема устройства ввода СВЧ-мощности.

 

Рис. 5. Общая схема устройства ввода СВЧ-мощности.

 

Выход СВЧ-генератора 1 (см. рис. 5) через дистанцирующий волновод 2 подключен к преобразователю мод 3. Выходная часть преобразователя 3 имеет форму цилиндра, на поверхности которого размещен изолирующий слой диэлектрика 4 (фторопласт), обеспечивающий гальваническую развязку с патрубком 5, на входном торце которого имеется дроссельное сочленение, препятствующее излучению СВЧ-энергии во внешнюю среду. Патрубок 5 крепится фланцевым соединением к диагностическому входу разрядной камеры 6. Для согласования неоднородности тракта, возникающей из-за вакуумного окна 7, в патрубке 5 размещен диэлектрический трансформатор 8.

3.2. Реализация устройства ввода “в металле”

Вся волноводная система устройства ввода СВЧ-мощности (рис. 6) выполнена из немагнитной нержавеющей стали.

 

Рис. 6. Волноводная система устройства ввода СВЧ-мощности.

 

Хотя нержавеющая сталь имеет меньшую проводимость, чем медь и алюминий, вносимые потери в данном случае не принципиальны, поскольку длительность единичных СВЧ-импульсов составляет всего несколько секунд, так что элементы волновода не успевают заметно нагреться, а запаса мощности СВЧ-генератора вполне хватает на компенсацию омических потерь.

3.3. Подключение к установке

Описанное устройство ввода СВЧ-мощности в настоящее время используется для осуществления предыонизации на учебно-демонстра-ционном токамаке МИФИ – MEPhIST-0 [3].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, все поставленные задачи выполнены, устройство ввода СВЧ-мощности в разрядную камеру токамака функционирует в штатном режиме. В дополнение к описанному устройству ввода мощности разработан, изготовлен и проходит настройку блок измерения уровня падающей и отраженной СВЧ-мощности в комплекте с калибровочной нагрузкой для волноводного тракта сечением 110 × 55 мм².

About the authors

В. Н. Тихонов

Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”

Email: gorbatovsa004@gmail.com
Russian Federation, Обнинск, Калужская обл.

С. А. Горбатов

Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”

Author for correspondence.
Email: gorbatovsa004@gmail.com
Russian Federation, Обнинск, Калужская обл.

И. А. Иванов

Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”

Email: gorbatovsa004@gmail.com
Russian Federation, Обнинск, Калужская обл.

А. В. Тихонов

Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”

Email: gorbatovsa004@gmail.com
Russian Federation, Обнинск, Калужская обл.

References

Supplementary files