高功率微波陶瓷窗的结构优化.PDF

第 33 卷 第 3 期 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 Vol.33, No.3 2 0 1 3 年 9 月 Nuclear Fusion and Plasma Physics Sep. 2013 文章编号：02546086(2013)03026705 高功率微波陶瓷窗的结构优化 汤允迎，王晓洁，刘甫坤，刘 亮，赵连敏，贾 华 (中国科学院等离子体物理研究所，合肥 230031) 摘 要：介绍了 2.45GHz 频率高功率微波陶瓷窗的结构及对结构的优化。结构优化包括对结构尺寸和水冷 结构的水流率取值这两方面。当陶瓷片厚度为 4.4mm 、圆波导长度为 52.3mm 时，微波性能达到最优。当水冷结 构的水流率为 0.4th1 时，效果最理想，此时陶瓷片的最大应力值远远小于陶瓷片本身的抗拉强度。优化后的陶 瓷窗经过多轮实验的考验，没有出现破裂等问题。 关键词：陶瓷窗；结构尺寸优化；水流率优化 中图分类号：O532+ .23 文献标识码：A 1 引言 的，所以要求陶瓷片要有适当的热膨胀系数，与窗 低杂波电流驱动系统是 EAST 装置的主要辅助 框的热膨胀系数不要相差太大，否则对完成焊接不 加热手段之一，从速调管出来的微波经过传输线传 利。在高功率微波通过时，陶瓷片受到高能电子或 输后送入天线汇聚，然后由天线输送到 EAST 真空 者离子的轰击引起二次电子倍增效应，在陶瓷片的 室中，完成电流驱动的功能。在这个过程中，存在 表面出现强烈的放电而导致破损，由此可见，陶瓷 两种气体状态——天线前的微波器件及一些传输 片还应具有低的二次电子发射系数。同时，由于陶 波导处于大气状态中，而天线及与天线相通的真空 瓷片具有介质损耗，微波能量通过时自身温度会升 室是处于真空状态中的，此时需要一个微波器件， 高，此时，一方面要求陶瓷片材料具有低的介质损 既能将这两种状态隔开，又不影响微波的通过，这 耗，另一方面还必须具有高的热传导系数，能快速 种微波器件就是陶瓷窗。 地将沉积其中的微波能量带走。因此，陶瓷片材料 陶瓷窗是低杂波微波传输线上非常关键的一 应该具有高机械强度、易于金属化的能力、适当的 个微波器件，它隔绝传输线的充气状态和 EAST 真 热膨胀系数、低的二次电子发射系数、低介质损耗、 空室的真空状态，让大功率微波能量无反射地通 高导热系数等特点。 [1] 在国内，常见的陶瓷片材料是 Al O ，这种材 过，起到能量传输和气体密封的作用 。陶瓷窗的 2 3 中间密封介质片是陶瓷材料，由此可见，陶瓷窗的 料的导热系数小，当大功率微波功率通过时，容易 陶瓷材料必须经受得起两端的气压差和由于材料 造成功率沉积，使陶瓷窗破裂。对于另一种陶瓷片 具有介质损耗所引起的温升而导致的附加机械应 材料 BeO[3] ，它的一个最显著的特点是导热系数大， 力[2] 。陶瓷片与窗框焊接成一个整体，由于窗框材 能将陶瓷片由于介质损耗吸收的能量快速地传输 料是金属，故陶瓷片必须具有易于金属化的特性才 到陶瓷片边缘，然后由水冷结构带走，另外，它还 能完成与窗框的焊接。焊接是在高温氢气炉中进行 具有良好的电性能和机械性能。因此，两种材料相 收稿日期：20121123 ；修订日