АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ВАКУУМНОЙ ОТКАЧКИ ЗЕРКАЛЬНО-ВОЛНОВОДНОГО ТРАКТА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ГИРОТРОНОВ ИТЭР

Предложенное техническое решение относится к гиротронам, предназначенным для генерации высокомощных электромагнитных волн на высоких частотах.
Наиболее эффективным способом передачи СВЧ мощности является вакуумирование зеркально-волноводномого тракта, которое обеспечивается системой вакуумной откачки (СВО).
Современные гиротроны способны генерировать на частотах до 170 ГГц излучение мощностью до 1,5 МВт и КПД 40-50% в импульсах длительностью до сотен секунд. Эти параметры обеспечиваются формированием мощного электронного потока с винтовыми траекториями частиц в сильном магнитном поле и использованием сверхразмерных цилиндрических резонаторов с очень высокими рабочими модами (например, ТЕ25.10.1).
Современные мощные гиротроны оснащены искусственными алмазными выходными окнами. Вследствие исключительно высокой теплопроводности и очень малых диэлектрических потерь алмазные окна гиротронов способны пропускать сверхвысокочастотное излучение (СВЧ-излучение) с мощностью более 1 МВт. Основным недостатком выводов СВЧ энергии из искусственных алмазных окон является их высокая стоимость (≥100 000 €). В этой связи большое значение имеет вариант конструкции систем транспортировки СВЧ энергии от гиротрона до поглощающей нагрузки или патрубка термоядерной установки.
Существуют разные способы транспортировки СВЧ - мощности: при атмосферном давлении в волноводном тракте, при наполненном волноводном тракте эле-газом, при давлении в тракте выше атмосферного. Однако, эти способы имеют серьезные технические ограничения. Так, при атмосферном давлении в волноводном тракте может образоваться пробой, так называемый стример (сгусток плазмы), который эффективно поглощает СВЧ излучение, а при достижении в стримере плотности плазмы близкой к критической, часть мощности будет отражаться обратно в виде паразитных мод, вследствие чего на стенках волновода и фильтра будет появляться плазма. В результате образования стримера значительная доля СВЧ мощности будет диссипироваться на поверхности алмазного окна гиротрона, что может привести к его разрушению, особенно при работе в квазинепрерывном режиме. Наиболее яркий пример подтверждения этому - проведение испытаний на установке «Испытательный гиротронный стенд».
Применение эле-газа (SF6) в указанном выше диапазоне частот достаточно неэффективно, так как этот газ при разложении, возникающем при микроискрениях в квазиоптических зеркально-волноводных трактах очень активен, фтор может вступать в реакцию с поверхностью волноводного тракта, а также с медными зеркалами. В результате медь окисляется, вследствие чего растут потери мощности в СВЧ тракте, также фтор окисляет манжету алмазного окна вывода СВЧ энергии, что в конечном результате должно привести к образованию вакуумной течи и разгерметизации гиротрона.
Для повышения напряжения пробоя можно увеличить давление в волноводе, в результате чего, возрастет передаваемая СВЧ мощность, но при этом возрастет также давление на алмазное окно, что может привести к его разрушению при совместном действии термических и механических нагрузок.
-2
Наиболее эффективным способом передачи СВЧ мощности является вакуумирование зеркально-волноводномого тракта, которое обеспечивается системой вакуумной откачки (СВО). Преимущество данного метода заключается в практическом отсутствии появления электрических пробоев в зеркально-волноводном тракте при давлении р<10 Па, снижении механических нагрузок на выходное алмазное окно. Применение СВО позволяет эффективно транспортировать СВЧ мощность до 1.5 МВт на частотах до 170 ГГц, что является, например, необходимым условием при нагреве плазмы в термоядерных установках.
Известны, в частности, гиротроны, передающие лучи с электронами в полом волноводе, расположенном коаксиально в направлении потока от полости взаимодействия, также передающие выходную мощность через диэлектрическое окно волновода.
Например: RU 2053580, МПК H01J 23/00, Заявка: 5053069/10, 24.09.1992 Опубликовано: 27.01.1996.
Однако в указанном решении недостаточно обеспечены предотвращение появления электрических пробоев в зеркально-волноводном тракте при давлении р<10-2 Па, снижение механических нагрузок на выходное алмазное окно, недостаточно надежна возможность эффективной транспортировки СВЧ мощности до 1,5 МВт на частотах до 170 ГГц от гиротрона к нагрузке для обеспечения нагрева плазмы в термоядерных установках, не обеспечена надежность создания и поддержания глубокого вакуума, что не позволяет сократить время вывода гиротрона в режим длинного импульса (τ>1000 с).
Известны решения-аналоги: см. http://femto.com.ua/articles/part_1/2125.html, Физическая энциклопедия; http://www.kiae.ru/nsi/usnsi.htm РНЦ «Курчатовский институт», в которых представлены проработки по комплексу гиротрон-нагрузка, однако и в указанных аналогах не предотвращены явления электрических пробоев в зеркально-волноводном тракте, создание и поддержание глубокого вакуума.
Также известно решение, согласно Патенту США N 4200820 (United States Patent 4,200,820, МПК H01J 25/02; H01J 25/00; H01J 025/00), где описывается контур для отражения выходной мощности в радиальном направлении в сторону от луча с помощью скошенного под углом 45о зеркала с достаточно большим отверстием для луча. Однако неполное зеркало генерирует паразитные моды, а через отверстие для луча уходит слишком большая мощность волны.
В данном решении также не обеспечены параметры, в частности, предотвращающие появление электрических пробоев в зеркально-волноводном тракте при давлении р<10-2 Па, по созданию и поддержанию глубокого вакуума для сокращения времени вывода гиротрона в режим длинного импульса.
Наиболее близким решением-прототипом является известное техническое решение «Гиротронный испытательный стенд (ИГС), Дата создания - 1983 г., РНЦ «Курчатовский институт», см.
http://www.kiae.ru/nsi/o5nsi.htm#4.
имеющее, в частности, параметры:
Возможность испытания гиротронов мощностью до 1 МВт с длительностью импульса до 120 с и рекуперацией электронного пучка или без него.
Основной источник высоковольтного питания - тирристорный конвертор тока с выходным напряжением:
55 кВ, при токе гиротрона до 50 А длительность импульса до 120 с,
от 70 до 100 кВ, при токе гиротрона до 70 А и длительности импульса до 20 с,
стабильность напряжения 1%.
Источник питания системы рекуперации 35 кВ, при токе до 1 А, работающий в непрерывном режиме.
Система защиты гиротрона от высоковольтного пробоя, обеспечивающая выделение энергии в нем менее 5 Дж.
Система водяного охлаждения (гиротрона и СВЧ нагрузки) с расходом до 200 м3/час, давление до 5 атм., дистилированная вода высокой степени очистки.
Источник питания криомагнитов с током до 400 А и стабильностью 0,01%.
Система защиты криомагнита при разрушении сверхпроводимости.
Криомагниты с "теплым" отверстием 140 и 160 мм.
Компьютерная система сбора данных.
В данном решении также не обеспечены параметры, в частности, предотвращающие появление электрических пробоев в зеркально-волноводном тракте при давлении р<10-2 Па, по созданию и поддержанию глубокого вакуума для сокращения времени вывода гиротрона в режим длинного импульса.
Техническая задача предложенного решения состоящая, в частности, в предотвращении появления электрических пробоев в зеркально-волноводном тракте при давлении р<10-2 Па, в снижении механических нагрузок на выходное алмазное окно, в повышении надежности и возможностей эффективной транспортировки СВЧ мощности до 1,5 МВт на частотах до 170 ГГц от гиротрона к нагрузке для обеспечения нагрева плазмы в термоядерных установках при обеспечении надежности создания и поддержания глубокого вакуума, что позволит сократить время вывода гиротрона в режим длинного импульса (τ>1000 с), обеспечена использованием приведенной ниже совокупности существенных признаков предложенного решения.
Автоматизированная установка для проведения испытаний гиротронов ИТЭР, включающая, взаимодействующие между собой, системы защиты, компьютерную систему исследования данных, системы взаимодействий оборудования, средства вакуумирования и передачи СВЧ мощности от гиротрона до нагрузки, включающие волноводный тракт, источники электропитания и средства обеспечения и управления высоким напряжением, причем
установка снабжена, последовательно в направлении от гиротрона к нагрузке расположенными, квазиоптическим фильтром и квазиоптическим переключателем, при этом
- средства вакуумирования волноводного тракта включают средства предварительной вакуумной откачки, средства высоковакуумной откачки, систему управления откачкой и поддержания рабочих параметров вакуума;
- компьютерная система исследования данных включает программу управления, программу сбора, программу представления базы данных (архивизации) и реализуется экраном управления и экраном визуализации данных;
- средства вакуумирования волноводного тракта гиротрона включают:
датчики низкого вакуума, датчики высокого вакуума, масс-спектрометр сигнал спектра остаточного газа, датчики температуры;
- системы защиты включают средства водоснабжения, имеющие запорно-регулирующие средства, датчики температуры, датчики давления, реле давления, реле протока, датчики расхода;
- средства обеспечения и управления высоким напряжением включают основной источник высоковольтного питания, выполненный в виде высоковольтного генератора и средства отключения высокого напряжения.
-3
Для проведения испытаний гиротронов ИТЭР была создана установка (Стенд), на которой передача СВЧ мощности от гиротрона до нагрузки производится по вакуумному волноводному тракту, начальное вакуумное давление в волноводах ~10 Па.
Зеркально-волноводный тракт состоит из следующих элементов: квазиоптический фильтр для поглощения паразитного СВЧ излучения гиротрона, калометрической системы измерения проходящей мощности, отрезков гофрированных волноводов общей длиной L~10 м и диаметром D=89 мм, квазиоптического переключателя и вакуумной поглощающей нагрузки.
Стенд предназначен для испытания стационарных (t~3600 c) гаротронов с генерируемой СВЧ-мощностью до 1,5 МВт.
Предложенное решение поясняется иллюстрациями.
На Фиг.1 показана Схема зеркально-волноводного тракта от гиротрона до нагрузки;
На Фиг.2 показана Схема системы высоковакуумной откачки (СВО);
На Фиг.3 (фото) показан Гиротрон на стенде испытаний с пристыкованным фильтром паразитного излучения гиротрона;
На Фиг.4 (фото) показан Фрагмент вакуумного зеркально-волноводного тракта;
На Фиг.5 показан Экран управления.
Таблица соответствия позиций, указанных на иллюстрациях и используемых обозначений в схемах, на Экране управления.
в описании и на фиг.2, фиг.5 - обозначены
Спецификация к Фиг.2 Схема системы высоковакуумной откачки (СВО), Фиг.5 - Экран управления.
1
NL1 - механический форвакуумныи насос; NL2 - механический форвакуумный
2
РТ1 - РТ8 низковакуумные датчики (РВТ-2М)
3
VF1, VF2 - аварийно-напускные электромагнитные клапаны(нормально открытый);
VF3, VF4 - клапан напускнойэлектромагнитный (нормально закрытый);
4
VE1, VE2 - аварийные электромагнитные клапаны
5
BS1, BS2 - сорбционные ловушки (фильтры);
6
VП1, 2, 3 (Ду63), 4 (Ду10) - ручные клапаны;
7
VM1 - регулирующий электромеханический клапан;
VM2 - прямопролетный затвор Ду160;
VM3 - регулирующий электромеханический клапан;
VM4 - быстродействующий затвор Ду100;
8
РМ1-РМ4 - высоковакуумные датчики (вакуумметр ВМБ-14);
9
S - масс-спектрометр типа МХ-7304А;
10
Рабочий Объем
11
Нагрузка
12
Отсеиватель паразитного пучка
-3
СВО обеспечивает получение рабочих вакуумных давлений (Р~10 Па) в волноводных трактах стенда, общий откачиваемый объем стенда V~0.5 м3.
Состав СВО:
- система предварительной откачки;
- система высоковакуумной откачки;
- система управления.
В качестве вакуумного оборудования используется в основном оборудование российских производителей.
Система предварительной откачки - собрана на базе ф/насоса NL1 производительностью 16 л/с и обеспечивает откачку рабочего объема с атмосферы до давления <10 Па (давление, необходимое для подключения к рабочему объему турбомолекулярного насоса (ТМН-а).
Система высоковакуумной откачки
Высокий вакуум обеспечивается высоковакуумной ячейкой, собранной на базе ТМН-а (NR) производительностью 200 л/с (по азоту) и фор-насоса (NL2) 5 л/с. Для улучшения откачных характеристик ТМН-а предусмотрен прогрев его корпуса до 120°С внешним нагревателем, 220 В, 200 Вт. Температура контролируется датчиком температуры (t3).
Для предотвращения попадания масла из фор-насосов в объем волноводов в магистрали предварительной откачки и ф/откачки ТМН-а установлены две сорбционные ловушки (BS1-BS2). В качестве сорбента используется активированный уголь и окись алюминия. В ловушки встроены нагреватели, позволяющие регенерировать сорбенты - 220 В, 300 Вт, температура регенерации сорбентов - 300°С. Температура ловушек контролируется датчиками температуры (t1-t2). Клапана VF1, VF2 фор-насосов обеспечивают напуск «атмосферы» в фор-насосы при их остановке. Клапана фор-насосов VE1,VE2 обеспечивают перекрытие вакуумпроводов при аварийной остановке фор-насоса (в.т.ч. при пропадании напряжения на стенде), препятствуя попаданию «атмосферы» в рабочие объемы.
3
Для предотвращения диффузии масла из подшипников ТМН-а в его высоковакуумную часть предусмотрен напуск «атмосферы» до давления ~10 Па при его остановке. Напуск производится через клапаны VF3, VF4 и калиброванный объем V.
Время срабатывания затвора VM2 40 с, время срабатывания VM4 3 с и он используется для аварийного перекрытия вакуумпровода.
Байпасная линия VM3 - резервная: может использоваться, как для ф/откачки масс-спектрометра (с или без последующей в/вакуумной откачки - ТМН) при закрытом шибере VM4, так и для ф/откачки волноводов (с или без последующей в/вакуумной откачки - ТМН).
-3
Состав остаточного газа в волноводах стенда в.т.ч. и отсутствие масла при откачке системы контролируется масс-спектрометром (S) - MX 7304A. Рабочее давление в масс-спектрометре Р<10 Па.
Контроль вакуума производится датчиками низкого (РТ) и высокого (РМ) давления.
На выхлопах фор-насосов установлены стандартные уловители масла (2 шт.).
Вакуумная система для предотвращения попадания в нее СВЧ-мощности при работе гиротрона (длина волны ~1,7 мм) соединена с волноводным трактом через медную мембрану (толщина 2 мм, диаметр 100 мм), в которой имеются 5600 отверстий диаметром 0.8 мм.
Система управления - вакуумным оборудованием.
Работа системы управления обеспечена с помощью компьютера в составе с платой ввода/вывода, платой АЦП и приборов сбора данных с аналоговых датчиков., включает сбор данных в.т.ч. системы водоснабжения.
Состав системы:
- исполнительные устройства (силовое пуско-релейное оборудование);
- согласующие устройства (блоки э/питания, слаботочные реле, слаботочная электроника);
- персональный компьютер (Intel Pentium - Core2Due):
- плата ввода/вывода LA-48 (управление, 48 каналов);
- плата АЦП L-card 783 (регистрация данных, 32 канала);
- промышленные приборы сбора данных аналоговых датчиков низкого и высокого вакуума, температуры и расхода воды (РВТ, ВМБ, ОВЕН УКТ38-Щ4 и РСО-1).
Основные элементы системы управления, за исключением компьютера, размещены в стойке управления. Стойка управления размещается в зале в непосредственной близости от вакуумного оборудования, компьютер - в пультовой стенда.
На компьютере производится регистрация данных с датчиков вакуумной системы и системы водоснабжения.
Вакуумная система:
- датчики низкого вакуума (8 шт.) - РТ1-РТ8;
- датчики высокого вакуума (4 шт.) - РМ1-РМ4;
- масс-спектрометр S сигнал спектра остаточного газа 2 шт.;
- датчики температуры (термопары) 3 шт. - t1-t3.
- система водоснабжения:
- датчики температуры 7 шт. - Т1-Т7;
- датчик давления 3 шт.;
- реле давления 3 шт.;
- реле протока 4 шт.;
- датчик расхода 4 шт.
Дискретные сигналы регистрируются компьютером в режиме «да» или «нет».
Описание программы управления и сбора данных.
Программа состоит из трех частей - программа управления, программа сбора, программа создания и представления базы данных (архивизация), и реализуется двумя окнами: экран управления и экран сбора. Архивируются только данные с датчиков вакуумной системы и системы водоснабжения. На экране управления (Фиг.5) размещается вакуумная принципиальная схема с обозначением элементов, таблица параметров системы водоснабжения и панель графиков. На панели графиков одновременно могут быть представлены четырнадцать графиков отдельных параметров. На панели графиков можно размещать графики любых датчиков системы, представленных на принципиальной схеме и в таблице параметров системы, в любой последовательности, осуществляя выбор нажатием левой кнопки мыши по выбранному датчику на панели управления. График сигнала масс-спектрометра занимает две нижние ячейки панели графиков. На вертикальной оси графиков указаны значения параметра (давление, температура, и.т.д.), по горизонтальной выбранный интервал времени эксперимента. Для показаний датчиков вакуумной системы кроме графика, на вакуумной схеме рядом с каждым датчиком индицируется численное значение параметра.
макс
Интерфейс сбора. Экран управления (Фиг.5) позволяет просматривать данные со всех 32 каналов платы АЦП (L-card) с любой разверткой, в реальном времени, одновременно в одном или нескольких окнах, выводить данные до 32 каналов в одном окне, сохранять выводимые данные в архив, просматривать архив. Представление данных графическое с возможностью определять координаты точек графика, изменения масштаба (развертки) просмотра в реальном времени. По горизонтальной оси - время, по вертикальной оси - значения параметра в вольтах (U - 5 В, пределы измерения платы АЦП). Экран монитора включает в себя: графическое поле, настроечную и рабочую панели.
Настроечная панель позволяет устанавливать режимы работы платы АЦП, в том числе количество активных каналов (по которым идет сбор), частоты опроса по каждому каналу, диапазон, регистрируемого напряжения для каждого канала 0.6, 1.25, 2.5 и 5 В.
В частности, с помощью интерфейса сбора в реальном времени с заданной разверткой осуществляет просмотр данных масс-спектрометра. При этом синхронизация производится программным методом по сигналу пилообразного напряжения, подаваемого на один из каналов АЦП.
1. Результат первых иследований.
-3
-1
свч
свч
Для проверки надежности работы системы на стенд был установлен опытный образец гиротрона ИТЭР. Зеркально-волноводный тракт был пристыкован к фланцу вывода СВЧ энергии из гиротрона и вакуумирован. После откачки системы до давления ~10 Па на гиротрон было подано высокое напряжение. На первом этапе был выбран режим с выходной мощностью Р=0,6 МВт. При этом была достигнута длительность импульса τ=800 с. На втором этапе выходная мощность была увеличена до значения Р=1,0 МВт при длительности импульса τ=250 с. В процессе испытаний СВЧ пробоев в тракте зарегистрировано не было. Во время прохождения импульса наблюдалось незначительное повышение давления в системе (ΔР~10 Па), при этом, величина повышения давления значение имело тенденцию к уменьшению в процессе испытаний.
Вывод: Результаты испытаний показали возможность надежной транспортировки СВЧ мощности до 1 МВт от гиротрона к нагрузке, что в перспективе должно значительно сократить время вывода гиротрона в режим длинного импульса (τ>1000 с).
Для обеспечения испытаний были задействованы функциональные элементы схем, согласно спецификации и размещению на фиг.2, фиг.5.