140GHz ECRH传输线关键器件研究

摘要

电子回旋共振加热(ECRH,Electron Cyclotron Resonance Heating)是一种极具吸引力的辅助加热方式,作为未来国际热核实验反应实验堆(ITER,International Thermonuclear Experimental Reactor)改变等离子体温度、密度及电流剖面,控制等离子体磁流体(MHD,Magnetohydrodynamics)不稳定性的首选方案,ECRH的实验研究是磁约束受控聚变研究的国际前沿课题之一。致力于解决兆瓦级长脉冲毫米波高效率传输的ECRH传输线技术的研究也日趋活跃,而高功率毫米波功率以及极化特性的实时测量技术是其中的研究热点,开展相关研究可为电子回旋系统高效率运行以及微波注入模式的优化控制提供必备技术手段。
　　本文将以140GHz传输线关键器件研究为研究课题,重点研究基于小孔耦合的功率监测弯头设计以及基于矢量衍射理论的高功率极化器设计,通过微波功率测量可以得到 ECRH系统传输效率和微波源输入功率等参数,而为了控制微波的极化方向,需要对高功率极化器进行研究。
　　本文的主要研究内容分为三部分:
　　1.对ECRH传输线系统进行简要介绍,主要介绍传输线上换向波导弯头、波纹波导等组成部分,对传输线损耗及高斯基模与11HE模的耦合效率进行分析。
　　2.对目前高功率毫米波功率测量的几种方法的优缺点进行分析,提出定向耦合器-毫米波功率计方式。简要介绍小孔耦合理论,对应用于140GHz ECRH传输线上的功率监测弯头进行结构设计和参数优化,从理论分析和软件模拟等方面进行研究,最终确定双孔耦合结构的各个参数,并对双孔耦合结构参数进行容差分析和弯头组装讨论。
　　3.总结目前高功率极化器所采用的槽纹结构,提出采用余弦形槽纹结构。结合矢量衍射理论,通过软件编程对140GHz ECRH传输线上基于矢量衍射理论的高功率极化器进行槽纹结构设计和参数优化,确定可改变微波极化形式的圆极化器与线极化器结构参数,并分析槽纹形状畸变对极化器极化性能的影响,对槽纹结构参数进行容差分析和机械结构设计,最后对搭建微波极化参数低功率条件下的实验测量系统及波入射等离子体角度与极化特性之间的关系进行研究讨论。

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第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 功率监测弯头与极化器的国内外研究历史与现状

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 本论文的结构安排

第二章 ECRH传输线系统简介

2.1 波纹波导

2.2 换向波导

2.3 传输线传输效率分析

2.4 本章小结

第三章 功率监测弯头设计

3.1 设计方案介绍

3.2 功率监测弯头结构

3.3 小孔耦合定向耦合器

3.4 容差分析与弯头的组装

3.5 监测系统误差估算

3.6 本章小结

第四章 高功率极化器设计

4.1 极化器原理与模型

4.2 数值计算与分析

4.3 高功率极化器容差分析、可靠性验证与机械结构设计

4.4 小功率测试平台的搭建

4.5 波的入射角度对极化特性的影响

4.6 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果