一种大功率射频离子源天线的制作方法

1.本发明属于聚变装置高功率中性束技术领域，具体涉及一种大功率射频离子源天线。


背景技术：

2.能源问题的严峻性正日益得到重视，而磁约束聚变被认为是未来解决能源危机的最佳解决方案之一。由于物理机制清楚、加热效率高等优点，中性束注入(neutral beam injection，nbi)是磁约束聚变装置最主要的辅助加热和电流驱动手段之一。考虑到中性化效率、热负荷控制、长期运行可行性等因素，采用基于射频离子源的负离子中性束成为了现阶段唯一的选择。离子源是中性束系统的核心部件之一，从离子源中引出的离子束的性能，在很大程度上决定了中性束的性能。
3.中性束用大功率射频离子源是利用射频天线产生交流电磁场引起放电室内的气体电离，产生等离子体。为了保证足够大的总引出流强(几a～几十a)，需要在射频天线上馈入101～102kw量级的射频功率。大功率射频传输与阻抗匹配等工程问题需要妥善解决，否则会造成器件之间的打火击穿甚至是损坏，对离子源运行极为不利。
4.目前，国际上中性束射频离子源的天线主要采用绝缘材料包裹在圆形截面的铜线圈上，并采用简单的支架固定线圈。
5.大功率射频离子源的天线工作时(工作频率约为几mhz量级)，由于射频电流的邻近、趋肤效应，射频电流集中在靠近放电室一侧天线表面流动。如天线截面是圆形，射频电流则集中在靠近放电室一侧的局部位置，导致导电面积减小、电阻增加，因此射频损耗增加。
6.射频离子源的天线由数匝螺旋状线圈组成、大功率射频在谐振和匹配工作条件下，线圈的匝间形成高压可达到万伏量级，同时由于匝间有很高的高频电场引起很高的损耗和电容。
7.综上，目前的大频率射频离子源的天线存在高频损耗大，匝间间距不均匀，容易产生局部击穿、打火等缺陷。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种大功率射频离子源天线，将射频功率耦合到离子源放电室内，激发氢放电，产生等离子体，解决大功率射频天线在高功率、射频条件下的损耗大、匝间距离不均匀、局部击穿和打火等问题。
9.实现本发明目的的技术方案：
10.一种大功率射频离子源天线，所述天线包括：内骨架、铜线圈、外骨架3、射频功率源接头和冷却水接头，内骨架为圆筒状，铜线圈均匀间隔旋入内骨架外侧内，外骨架套设于铜线圈外侧，将铜线圈压紧、固定在内骨架的外侧底部，铜线圈的端部对称连接有射频功率源接头，铜线圈两端分别连接有冷却水接头。
11.所述铜线圈截面呈矩形。
12.所述铜线圈匝数为3-5圈，匝间隙3mm。
13.所述内骨架和外骨架的材料均为添加质量百分比为20-35％al2o3粉末的聚四氟乙烯。
14.所述内骨架外侧沿径向方向均匀开设有外螺旋槽，外骨架的内侧沿径向方向均匀开设有内螺旋槽，外骨架内侧内螺旋槽与内骨架外侧外螺旋槽相匹配。
15.所述内骨架的外螺旋槽底部沿径向方向厚度2-3mm，相邻螺旋槽壁厚3mm，外螺旋槽深度比铜线圈径向截面尺寸大5mm。
16.所述外骨架一侧开设有两个铜线圈引线孔，引线孔对称侧沿轴向方向切断，形成两个端切断面。
17.所述外骨架的两个端切断面通过螺钉连接。
18.所述天线还包括垫块，垫块卡接在内骨架内侧开设的沿轴向方向的条形槽内。
19.所述垫块的材料为添加质量百分比为20-35％al2o3粉末的聚四氟乙烯。
20.所述内骨架内侧沿轴向方向的条形槽深1-2mm，垫块厚度为2-3mm。
21.本发明的有益技术效果在于：
22.1、本发明的一种大功率射频离子源天线采用增强型聚四氟乙烯骨架固定铜线圈的方式，通过改变天线截面的形状，增加了射频电流通过的截面积，射频功率的损耗减少50％以上；
23.2、本发明的一种大功率射频离子源天线利用耐高温、低介电常数和低高频损耗的聚四氟乙烯材料作为天线骨架，保证了天线几何尺寸的一致性，减小了匝间电容和损耗，降低了天线局部击穿和打火现象的概率。
附图说明
24.图1为本发明所提供的一种大功率射频离子源天线的轴测图；
25.图2为本发明所提供的一种大功率射频离子源天线的爆炸视图；
26.图3为本发明所提供的一种大功率射频离子源天线的截面图。
27.图中：1、内骨架；2、铜线圈；3、外骨架；4、射频功率源接头；5、冷却水接头；6、垫块；7、螺钉。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
29.如图1-2所示，本发明提供的一种大功率射频离子源天线，包括：内骨架1、铜线圈2、外骨架3、射频功率源接头4、冷却水接头5、垫块6、螺钉7。
30.内骨架1为圆筒状，内骨架1上下两端沿圆周设有向外突出的凸缘，内骨架1外侧沿径向方向均匀开设有外螺旋槽，铜线圈2旋入内骨架1的外螺旋槽内；外骨架3的内侧沿径向方向均匀开设有内螺旋槽，其中一侧开设有两个铜线圈2引线孔，对称一侧沿轴向方向切断，形成两个端切断面，两个端切断面沿切线方向钻通孔，用于容纳螺钉7，使外骨架3固定，外骨架3套设于铜线圈2外周，外骨架3内侧内螺旋槽与内骨架1外侧外螺旋槽相匹配，将铜线圈2卡入内骨架1与外骨架3之间的空腔中，外骨架3通过非金属螺钉7固定连接，将铜线圈
2压紧、固定在内骨架1的螺旋底部，使铜线圈2沿轴向方向和径向方向的间距均保持一致，使铜线圈2所有的匝的几何尺寸固定并保持一致。
31.内骨架1内侧开设有沿轴向方向的条形槽，垫块6卡接在条形槽内，用于固定天线。铜线圈2伸出外骨架3引线孔的端部对称连接有射频功率源接头4，铜线圈2两端分别焊接有冷却水接头5。
32.如图3所示，内骨架1内侧沿轴向方向的条形槽深1-2mm，垫块6厚度为2-3mm；内骨架1的外螺旋槽底部沿径向方向厚度2-3mm，相邻螺旋槽壁厚3mm，外螺旋槽深度比铜线圈2径向截面尺寸大5mm。
33.铜线圈2截面呈矩形，内部通水冷却，冷却水道截面不限，匝数3-5圈，匝间隙3mm。铜线圈2采用空心的矩形截面铜管，射频电流集中在靠近放电室一侧的矩形边上，电流经过的截面增加，阻抗减小，因此射频功率损耗随之减小。
34.内骨架1、外骨架3和垫块6的材料均为增强型聚四氟乙烯，增强型聚四氟乙烯为添加质量百分比为20-35％al2o3粉末的聚四氟乙烯。
35.内骨架1、外骨架3采用增强型聚四氟乙烯绝缘材料，将天线相邻的线圈均匀地隔开，并固定在其中，保持线圈几何尺寸的一致性。聚四氟乙烯在射频条件下，具有耐高温，低介电常数，低损耗的优点，是良好的射频绝缘材料；在其中添加一定比例的al2o3粉末，可增加其机械强度。
36.本发明的大功率射频离子源天线中的铜线圈2采用矩形截面铜管，绕制成螺旋状，将其安装并固定在聚四氟乙烯骨架中，使其匝间几何尺寸一致，组装后的射频天线整体呈圆环形，利用聚四氟乙烯垫块6，将天线固定于射频离子源的圆桶状放电室外侧，天线整体可以沿放电室轴向方向调节。内骨架1内侧为圆桶状射频离子源放电室，其室壁材料一般为石英玻璃或者陶瓷，与放电室间距保持1mm以内的间隙，以便天线沿其轴线调节距离。将天线置于射频离子源圆筒状放电室的外侧，射频功率通过射频天线耦合到放电室内，激发气体，产生高密度、大体积等离子体。
37.本发明的一种大功率射频离子源天线的装配方法为：射频功率通过射频功率源接头4与铜线圈2连接，铜线圈2两端分别与冷却水接头5焊接；铜线圈2绕制成等间距螺旋状后，旋入加工好外螺旋槽的聚四氟乙烯内骨架1内；外骨架3的内侧预先加工内螺旋槽，其中一侧预留两个铜线圈2引线孔，对称一侧沿轴向方向切断，被外骨架3切断处沿切线方向钻通孔，利用聚四氟乙烯弹性，将铜线圈2卡入内骨架1的外螺旋槽内，外骨架3安装到旋入内骨架1内的铜线圈2的外周上，将非金属螺钉7通过通孔固定外骨架3；铜线圈2与内骨架1和外骨架3安装完毕后，将其两个端头根据实际需求弯曲至适当的角度。
38.上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。