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140GHz回旋管关键技术的研究

周强  
【摘要】:目前,利用核聚变产生能量是解决未来人类对能源需求的主要手段,国际上通过开展ITER计划产生核聚变反应以获得能量来替代不可再生的能源。约束受控核聚变装置(托卡马克)采用多种加热系统,其中电子回旋共振加热系统(ECRH)是托卡马克中的最主要辅助加热系统,其核心是高功率回旋管。随着ITER计划的发展,托卡马克装置需要能够提供频率为110-170 GHz,功率从几百千瓦(kW)到几兆瓦(MW)的高功率微波输出的高功率回旋管。目前俄罗斯、美国、德国(欧盟)、日本等国已对110-170 GHz高功率回旋管开展了多年的研究,并已取得一定进展。国外的研究工作正在将回旋器件的研究向更大功率、更高效率、准光输出的连续波稳定工作的方向上推进。本文主要研究内容包括:1.叙述ECRH以及高功率回旋管的发展以及组成:分析了目前ITER计划对高功率回旋管的需求,同时介绍了高功率回旋管的工作原理及研究理论。然后,对国内外110-170 GHz高功率回旋管的发展现状进行了描述和分析。2.140 GHz回旋管高频系统的设计:分别进行冷腔计算和注-波互作用分析。学习回旋管线性理论,通过选取模式,开展谐振腔设计和冷腔计算。通过对耦合系数和起振电流的分析,选取适当参数,减小模式竞争。基于非线性理论,推导自洽非线性理论计算方程组,计算注-波互作用过程,求解高频系统的输出功率与效率,分析参数影响,选取最优参数,得出140 GHz回旋管高频系统设计方案。3.利用粒子模拟方法(PIC)开展140 GHz回旋管高频系统粒子模拟:模拟电子注-波互作用过程,通过对结构及电子注参数的优化,得到优化后的电子群聚图像以及140 GHz回旋管的工作频率和输出功率,与编程计算结果进行了对比分析。4.140 GHz磁控注入双阳极电子枪的设计:根据高频系统对电子注参数的要求,对电子枪的初始结构参数进行计算,采用粒子模拟软件对电子枪结构进行优化。分析电子枪结构、电场及磁场等因素对电子注参数的影响,得到140 GHz磁控注入双阳极电子枪的设计方案。


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