140GHz回旋管關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、目前,利用核聚變產(chǎn)生能量是解決未來人類對(duì)能源需求的主要手段,國際上通過開展ITER計(jì)劃產(chǎn)生核聚變反應(yīng)以獲得能量來替代不可再生的能源。約束受控核聚變裝置(托卡馬克)采用多種加熱系統(tǒng),其中電子回旋共振加熱系統(tǒng)(ECRH)是托卡馬克中的最主要輔助加熱系統(tǒng),其核心是高功率回旋管。隨著ITER計(jì)劃的發(fā)展,托卡馬克裝置需要能夠提供頻率為110-170 GHz,功率從幾百千瓦(kW)到幾兆瓦(MW)的高功率微波輸出的高功率回旋管。目前俄羅斯、美國、德

2、國(歐盟)、日本等國已對(duì)110-170 GHz高功率回旋管開展了多年的研究,并已取得一定進(jìn)展。國外的研究工作正在將回旋器件的研究向更大功率、更高效率、準(zhǔn)光輸出的連續(xù)波穩(wěn)定工作的方向上推進(jìn)。
　　本文主要研究內(nèi)容包括:
　　1.敘述ECRH以及高功率回旋管的發(fā)展以及組成:分析了目前ITER計(jì)劃對(duì)高功率回旋管的需求,同時(shí)介紹了高功率回旋管的工作原理及研究理論。然后,對(duì)國內(nèi)外110-170 GHz高功率回旋管的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了描述和

3、分析。
　　2.140 GHz回旋管高頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì):分別進(jìn)行冷腔計(jì)算和注-波互作用分析。學(xué)習(xí)回旋管線性理論,通過選取模式,開展諧振腔設(shè)計(jì)和冷腔計(jì)算。通過對(duì)耦合系數(shù)和起振電流的分析,選取適當(dāng)參數(shù),減小模式競(jìng)爭(zhēng)?；诜蔷€性理論,推導(dǎo)自洽非線性理論計(jì)算方程組,計(jì)算注-波互作用過程,求解高頻系統(tǒng)的輸出功率與效率,分析參數(shù)影響,選取最優(yōu)參數(shù),得出140 GHz回旋管高頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
　　3.利用粒子模擬方法(PIC)開展140 GH

4、z回旋管高頻系統(tǒng)粒子模擬:模擬電子注-波互作用過程,通過對(duì)結(jié)構(gòu)及電子注參數(shù)的優(yōu)化,得到優(yōu)化后的電子群聚圖像以及140 GHz回旋管的工作頻率和輸出功率,與編程計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。
　　4.140 GHz磁控注入雙陽極電子槍的設(shè)計(jì):根據(jù)高頻系統(tǒng)對(duì)電子注參數(shù)的要求,對(duì)電子槍的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,采用粒子模擬軟件對(duì)電子槍結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。分析電子槍結(jié)構(gòu)、電場(chǎng)及磁場(chǎng)等因素對(duì)電子注參數(shù)的影響,得到140 GHz磁控注入雙陽極電子槍的設(shè)計(jì)方