一种大功率电子回旋共振加热系统快速可控极化器的制作方法

本发明属于微波技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明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；本发明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，本发明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°。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

(1)本发明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)本发明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)本发明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)本发明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)本发明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)本发明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，同时本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明椭圆极化镜理论计算与低功率实测结果对比图；

图8为本发明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，5-动密封o型圈，6-支撑轴承，7-轴承座，8-旋转轴，9-旋转平台，10-联轴器，11-电机，12-应急手动调节装置，13-涡轮，14-蜗杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

如图1至图4所示，本发明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1，安装基板2，极化镜3，静密封o型圈4，动密封o型圈5，支撑轴承6，轴承座7，旋转轴8，旋转平台9，联轴器10，电机11，应急手动调节装置12，13-涡轮，14-蜗杆；

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；综合考虑换向弯头的损耗问题，所述微波换向弯头1为一体式换向弯头，即输入与输出波导段与弯头加工为一个整体工件；考虑到需要高效低耗传输高功率长脉冲毫米波，所述微波换向弯头1内壁为光滑曲面；综合考虑微波传输时的欧姆损耗问题，所述微波换向弯头1采用适宜大功率微波传输系统的硬铝材料加工；微波换向弯头1输入输出端口导波通道通径与传输系统导波部件的一致，通过连接法兰与电子回旋传输系统导波部件对接，两者之间设置静密封o型圈实现真空密封；静密封o型圈为金属密封圈结构，优选helicoflex金属密封圈；

安装基板2中心开孔，设置在微波换向弯头1上，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；静密封o型圈4为金属密封圈结构，优选helicoflex金属密封圈；安装基板2用于将极化镜3及其转动机构与驱动机构设置在微波换向弯头1上；

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，且镜面向内朝向空腔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；

极化镜3为衍射光栅极化镜，用于反射微波，并在其旋转时实现微波极化形式的改变；为了实现对微波极化参数的改变，极化镜3为矢量衍射光栅极化镜，极化镜3镜面为均匀对称槽纹结构；为了避免尖端放电，极化镜3镜面采用连续正弦波纹结构；极化镜3镜面的连续正弦波纹结构的中心位置为波谷；综合考虑微波经极化镜3镜面反射的欧姆损耗、热负荷与温升等要求，所述极 化镜3采用无氧铜材料加工；所述极化镜3表面波纹波导波纹振幅为1.08mm、周期为0.8mm；

极化镜转动机构包括支撑轴承6、轴承座7和旋转轴8；用于实现真空环境下极化镜3的转动；轴承座7为圆筒形结构，旋转轴8上段两侧设置支撑轴承6穿过轴承座7，旋转轴8下段两侧与轴承座7之间设置动密封o型圈5，动密封o型圈5为威尔逊动密封结构；轴承座7下端固定在安装基板2；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；

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；旋转平台9分辨率小于0.1°，重复定位精度小于0.01°。

转动驱动机构包括旋转平台9、联轴器10、电机11、应急手动调节装置12、涡轮13和蜗杆14；用于实现对极化镜3旋转的精确定位控制及保护；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；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；所述电机11为步进电机，优选42系列步进电机。

转动控制系统包括控制器和逻辑控制器，用于对电机11的远程参数设置及转动控制；采用脉冲控制方式控制电机11实现高精度转动定位；控制器功能为实时准确获知极化器转动方位信息；通过逻辑控制器功能为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，从而实现对极化 器的远程控制及安全互锁。

真空环境下的电机11的驱动旋转定位，目前主要有两种解决途径：一是将整个驱动、传动、执行机构置于真空环境内，这种结构采用需要特殊定制的电机及传动机构，且散热及润滑难度极高；另一种是将驱动及传动部分置于真空环境以外，通过传统的机械动密封机构实现旋转部分和机体静止部分的动密封，这种密封结构体积庞大、结构复杂，并且转轴静止时密封效果差、泄露点多，此外，以上两种方案均成本昂贵，且不易于后期维护。

为了低成本地解决极化器转动时的真空密封和精准定位两个难题，本发明实施例将驱动和传动部分置于真空环境外，电机11作为驱动动力源且采用脉冲控制方式实现高精度定位，涡轮13、蜗杆14和旋转平台9作为传动机构实现定位的反向锁定，解决了将所有机构置于真空室内而过分占用真空体积和体积过大、成本高昂的问题，并且主体机构在真空环境外，结构简单、便于拆装、维护方便；

在本实施例中，为解决普通的涡轮蜗杆减速机动定子之间无法实现真空密封的问题，对标准的涡轮蜗杆电动平台进行了修改：

1、根据极化镜3转轴机构的安装需求确定加大涡轮13的输出孔内径，本实施例使涡轮13的输出孔内径达到60mm，这样解决极化镜3安装旋转轴8的支撑问题，并且为密封结构的实现预留空间；

2、关于真空密封的实现，考虑真空室内外压差大，单级的o型圈密封难以防止泄漏，经过反复试验，在旋转轴8和轴承座7之间设置多级动密封o型圈5，动密封o型圈5之间填充专门供真空环境下使用黏度高，挥发性小的润滑脂，保证密封的可靠性；优选设置3级以上动密封o型圈5。

如图5所示，微波的极化形式由椭圆主轴旋转角α(即长轴与波的传播方向的夹角)以及椭圆率β两个参数决定；极化器是一种用于改变微波极化形式的微波器件；极化镜表面波纹的振幅和周期依据微波的波长、微波入射角及反射角和极化镜的α角和β角确定；由于电子回旋共振加热系统微波的波长较短，通常采用准光学方法，利用矢量衍射光栅极化器来实现改变微波极化形式的目的，常见的方法有模式匹配方法及矢量积分方法两种，前者主要用于矩形槽纹光栅设计，而后者主要用于非矩形槽纹光栅设计。

考虑到电子回旋传输系统需要其功率容量达到1mw，为提高功率容量，本发明实施例在极化镜光栅的设计过程中采用非矩形槽纹进行设计，以避免系统运行过程中光栅处出现电击穿等问题。

如图6所示，本发明所述极化镜3为矢量衍射光栅极化镜，采用正弦波纹结构设计；在电子回旋传输系统中配置两个槽纹深度为波长1/4与1/8的极化器，分别用于改变微波极化的线极化参数和椭圆极化参数，即可以实现极化形式的任意改变；极化器所能改变极化特性的作用效果与光栅槽纹结构、槽纹深度及周期密切相关，本发明实施例中确定的线极化镜波纹结构为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。极化镜3镜面的槽纹深度为微波波长的0.35倍，本实施例选为1mm，改变微波椭圆极化参数的极化镜3镜面的槽纹深度为微波波长的0.3倍，本实施例选为0.86mm，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，本实施例选为1.24mm。

图7和图8为本发明椭圆极化镜、线极化镜的理论计算与低功率实测结果对比图；上述结果通过低功率测量平台获得，低功率测量平台包括波源、模式 转换器、波纹波导、被测极化器及探测器，测量原理为：当被测极化镜3旋转角固定时，通过旋转探测器的接收天线，将测量得到的数据经过处理后得到极化波的旋转角α及椭圆角β参数，探测器测得的信号最大值处对应的旋转角度为极化波的旋转角α，检波晶体测得的信号最大值imax和最小值imin与极化波椭圆角β的关系为图7给出了椭圆极化器的测试结果，图8给出了线极化器的测试结果，图中横坐标表示极化器旋转角度，纵坐标表示极化参数α及β；测试结果表明所有性能均能够满足电子回旋系统的使用需求。