国际热核聚变装置用回旋管的现状及技术分析
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（ Ｂ ｅ ｉ ｉ ｎ Ｖ ａ ｃ ｕ ｕ ｍ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ， Ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｋ ｅ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｏ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｊ ｇ ｙ ｙ ｆ ｇ ｙ
ｏ ｎ Ｖ ａ ｃ ｕ ｕ ｍ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ， Ｂ ｅ ｉ ｉ ｎ ０ ０ ０ １ ５， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ） ｊ ｇ１
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１， ４］ 。 温［ Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ 系统对 １ ７ ０ＧＨ ｚ回 旋 振 荡 管 的 要 求
化为高频场场能 。 最 后 ， 经过能量交换后的电子离 开高频互作用区 ， 在迅速减弱的磁场中打在管子的
４］ 。 同时 ， 被收集极吸收 ［ 使用内置的 准光 收集极上 ，
模式转换器 ， 由一个准光发射器和若干镜面组成 ， 被 激起的高阶射频模 式 被 转 换 成 高 斯 波 束 ， 并经冷却
］ ６－７ 。 的金刚石窗片输出 ［
标准为 ： １ ＭＷ 功 率 、 ５ ０ ０ｓ 脉 宽 、 ５ ０％ 效 率 。 为 此 ， 自国际热核聚变实 验 开 展 以 来 ， 在不同频段的回旋 振 荡 管 工 程 设 计 方 面， 俄罗斯应用物理研究所 （ 与 ＧＹ 日本原子能研究所（ 与 Ｉ Ａ Ｐ） Ｃ ＯＭ、 Ｊ Ａ Ｅ Ａ） 德国卡尔斯鲁尔技术研究中心 Ｔ Ｏ Ｓ Ｈ Ｉ Ｂ Ａ 公 司、 （ 前身为 Ｆ 等研究机构分别取得较大进展 ， Ｋ Ｉ Ｔ， Ｚ Ｋ） 已能实现 准 连 续 波 （ 脉冲宽度在６ 输 出， ０ｓ 以 上 ）
２ Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ 计划所用１ ７ ０Ｇ Ｈ ｚ与 １ ２ ０Ｇ Ｈ ｚ回 旋振荡管的研究概况
针对 Ｉ 很多国家正在开展兆瓦 Ｔ Ｅ Ｒ 计划 要 求 ， 、 级、 连续 波 （ 效率约５ ＣＷ ） ０％ 的 １ ７ ０ ＧＨ ｚ与 １ ２ ０ 并已经取得很 ＧＨ ｚ回旋振荡管的实验和理论 研 究 ， 大的进展 ， 表 １ 给出了 Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ 计划所用１ ７ ０ＧＨ ｚ回 旋振荡管的发展情 况 ， 下面评述各主要研究机构在 １ ７ ０ＧＨ ｚ与 １ ２ ０ＧＨ ｚ回旋振荡管的具体研究现状 。
Ｅ ＧＹ Ｃ Ｅ ＧＹ Ｃ
１ ６ ５ 收集极 ， 注 ：
２ ． １ Ｉ Ａ Ｐ和 Ｇ Ｙ Ｃ ＯＭ 回旋振荡管 ／ Ｉ Ａ Ｐ ＧＹ Ｃ ＯＭ 研 制 的 用 于 Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ 的１ ７ ０ ＧＨ ｚ 回旋 管
［ ８］
， 式， 在脉冲长度 ０ 输出功率１ ． １ｓ ． ５ ＭＷ 的 研 究 目 首次实验获得 １ 效率 ４ 标下 ， ． ４ ４ ＭＷ 输出功率 ， １％ ） 的结 果 ， 图 ３（ 为 其 样 管。 近 期 的 一 次 测 试 结 果 ａ 为： 在加 速 电 压 ９ 电流５ 获得了 ４ｋ Ｖ， ５ Ａ 条 件 下， １ ． ４ ７ ＭＷ 的 稳 态 工 作 输 出 功 率 和 ４ ２％ 的 总 效 率 ， ９］ 。 此 外， 经测 量 辐 射 损 耗 小 于 输 出 功 率 的 ２％ ［ ／ Ｉ Ａ Ｐ ＧＹ Ｃ ＯＭ 研 制 出 工 作 模 式 为 Ｔ Ｅ ７ ０ ２ ５， １ ０ 的 １
表 １ Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ 所用 １ ７ ０Ｇ Ｈ ｚ回旋管的发展现状
公司 ／ Ｉ Ａ Ｐ ＧＹ Ｃ ＯＭ ／ ＧＨ ｚ ｆ １ ７ ０ 模式 Ｔ Ｅ ２ ８， １ ２ Ｔ Ｅ ２ ５， １ ０ ／ Ｊ Ａ Ｅ Ａ Ｔ Ｏ Ｓ Ｈ Ｉ Ｂ Ａ １ ７ ０ Ｔ Ｅ ３ １， １ １ Ｔ Ｅ ３ １， １ ２ Ｔ Ｅ ３ １， ８ Ｔ Ｅ ３ １， １ ７ Ｔ Ｅ ３ ４， １ ９ ／ＭＷ Ｐ １ ． ４ ７ １ ． ０ ２ ０ ． ８ １ ． ３ ５ １ ． ５ ６ １ ． ０ ０ ． ８ ２ ． ２ ２ ． ２ 效率／％ （ ４ ２ Ｓ Ｄ Ｃ＊ ） （ ５ ３ Ｓ Ｄ Ｃ） （ ５ ５ Ｓ Ｄ Ｃ） ３ １ ２ ７ （ ５ ５ Ｓ Ｄ Ｃ） （ ５ ７ Ｓ Ｄ Ｃ） （ ４ ８ Ｓ Ｄ Ｃ） ３ ０ 脉冲长度／ ｓ ０ ． １ ２ ４ ０ ８ ０ ０ － － ８ ０ ０ ３ ６ ０ ０ ０ ． ０ ０ １ ０ ． ０ ０ １ 腔体结构 圆柱腔 圆柱腔 圆柱腔 圆柱腔 圆柱腔 圆柱腔 圆柱腔 同轴腔 同轴腔
此外印度也在开展这一频段的研究工作22其它热核聚变装置所用回旋振荡管的研究概况除了iter计划外国际上的热核聚变装置主要有德国建造的w7x建在德国伽兴为世界最大的仿星器实验装置基于目前的w7as装置及先进螺旋仿星器结构计划在2014年建成其ecrh系统需要140ghz兆瓦级连续波回旋管美国的diiid由美国通用原子公司建在圣迭戈市是上世纪80年代建立的托卡马克装置由110ghz兆瓦级连续波回旋管对等离子体进行加热德国的as真空电子技术vacuumelectronics201202dexu建于1991年为德国最大托卡马克装置用140ghz兆瓦级回旋管对等离子体进行加热日本的jt60u1985年建成的托卡马克装置采用110ghz兆瓦级回旋管加热等离子体现正采用铌钛合金线圈超导升级成jt60sa系统预计运转至2016年和英国jet建于1983年是目前世界运转的核聚变装置中最大的磁约束等离子体托卡马克装置等下面对它们所采用的不同频段的回旋振荡管进行分析评述
ＶＡＣＵＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮ Ｉ ＣＳ 真空电子技术
· 综述 ·
国际热核聚变装置用回旋管的 现状及技术分析
李志良 ， 冯进军 ， 刘本田 ， 王峨锋 ， 曾 旭
（ ） 北京真空电子技术研究所 ， 微波电真空器件国家级重点实验室 ， 北京 １ ０ ０ ０ １ ５
Ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ Ｓ ｔ ａ ｔ ｕ ｓ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｇ ｒ ｏ ｔ ｒ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ Ｆ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ Ａ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｙ ｐ ｐ
［］ 英国的 Ｊ ６ ０ Ｕ、 Ｅ Ｔ 和俄罗斯的 Ｆ Ｔ ２等装置 ２ 。其 － 总投资高达百亿欧元 ， 号称当今世界 中Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ 计划 ，
上最昂贵的大科学工程 ， Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ 装置的剖面图如图 １
３］ 。 所示 ［ Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ 计划中的等离子体启动采用１ ２ ０
而等离子体加热采用 １ ＧＨ ｚ回旋振荡管 ， ７ ０ＧＨ ｚ的 回旋振荡管 ， 借助电子和毫米波回旋谐振作用 ， 将电
摘要 ： 回旋管是一种具有重要发展前景的高功率毫米波和太赫兹源 。 本 文 简 要 介 绍 了 回 旋 振 荡 管 的 结 构 和 基 本 原 理 ， 并 且评述了国际热核聚变装置中所用 １ １ ０， １ ４ ０和１ ７ ０ＧＨ ｚ回旋振荡管的发展现况和趋势 。 同时指出了 回 旋 振 荡 管 发 展 中 存 在 的关键问题并给出了可能解决的技术途径 。 关键词 ： 国际热核实验反应堆 ； 电子回旋谐振加热和电流驱动 ； 回旋管 ； 热核聚变 ； 高功率 （ ） 中图分类号 ： Ｔ Ｎ １ ２ ９ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ２－８ ９ ３ ５ ２ ０ １ ２ ０ ２－０ ０ ４ ７－０ ８
， 采用的是一种锥形波浪状波导壁发射器
／ 的新 型 准 光 模 式 变 换 器 ， 实验获得了０ ． ９ ＭＷ ２ ０ ， ／ ／ ｓ ０ ． ６ ＭＷ ２ ５ ０ｓ 和 ０ ． ５ ＭＷ ３ ０ ０ｓ 输 出 结 果 。 并 采用传统的圆柱渐变腔 ， 应用腔体冷却系统 ， 增加兆 瓦级回旋管输出功 率 ， 该管选择 Ｔ Ｅ ２ ８， １ ２作 为 工 作 模
发展新型低 为了解决世界 的 能 源 与 环 境 问 题 ， ， 碳能源成为各国研 究 的 热 点 而 核 聚 变 能 具 有 明 显
１］ 。 为此 ， 的优势 ， 有望成为未来理想的能源 ［ 为了探
索受控热核聚变的 可 行 性 ， 国际上开展了各种核聚 、 变实验 ， 例如 国 际 热 核 实 验 反 应 堆 （ 德国的 Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ） 中国的 ＨＬ 美国的 Ｄ Ｗ ７ ２ Ａ和Ｅ Ａ Ｓ Ｔ、 Ｉ －Ｘ 仿星器 、 － － 、 、 和 德 国 的 日 本 的 Ｉ Ｉ ＨＢ Ｅ Ｐ Ａ Ｓ Ｄ Ｅ Ｘ－Ｕ Ｊ Ｔ －Ｄ －Ｔ －
５］ 。 功率达到兆瓦级 ［ ５ ０％ 左右的效率 ，
图 ２ 单腔回旋振荡管结构示意图
１ 回旋振荡管的结构和工作原理
图 ２ 为单腔回旋振荡管的基本结构 ， 由电子枪 、 高频互作用谐振腔电路 、 超导磁体系统 、 准光模式变 换输出耦合系统 、 收集极和高功率容量输出窗等部 分组成 。 其主要工 作 原 理 ： 由磁控注入电子枪发射 的环状空心电子注 ， 经过一段逐渐增强的磁场 ， 产生 使得电 子 的 部 分 纵 向 动 能 转 化 为 横 向 动 绝热压缩 ， 能 。 然后 ， 电子 注 进 入 高 频 互 作 用 电 路 — 开 放 式 谐 振腔 ， 并与腔内的高频电磁场相互作用 ， 将其动能转
２ ０ １ ２－０ ２
▌
真空电子技术 ＶＡＣＵＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮ Ｉ ＣＳ
一种理想的等离子体辅助加热手段 。 射频功率可由 与聚变等离子体分 开 放 置 的 准 光 发 射 器 输 入 ， 再经 利用波与 过波导传输后经由 天 线 注 入 等 离 子 体 中 ， 等离子体 的 相 互 作 用 进 行 等 离 子 体 加 热 或 电 流 驱 动 。 在国际热核聚 变 装 置 中 ， 电子回旋谐振系统是 其中一个主 要 的 加 热 和 电 流 驱 动 工 具 ， Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ 计划 初期需要总 注 入 功 率 ２ 即需要多个 ４ ＭＷ 的 能 量 ， 兆瓦级毫米波源 ， 以把等离子体加热到燃点 ， 也就是 到核聚变反应所产生的能量可以自行维持所需的高
４］ 。 本文对国际 磁波的能量转换为等离子体的热能 ［
图 １ Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ 系统的剖面图
热核聚变装置中应用的高功率毫米波回旋振荡管的 结构原理及最新进展进行了简要介绍 。
在核聚变研究中 ， 电子回旋谐振加热（ Ｅ Ｃ ＲＨ） 和电子回旋 电 流 驱 动 （ 具 有 独 特 的 优 点， 是 Ｅ Ｃ Ｃ Ｄ）
（ Ｂ ｅ ｉ ｉ ｎ Ｖ ａ ｃ ｕ ｕ ｍ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ， Ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｋ ｅ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｏ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｊ ｇ ｙ ｙ ｆ ｇ ｙ
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１， ４］ 。 温［ Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ 系统对 １ ７ ０ＧＨ ｚ回 旋 振 荡 管 的 要 求
化为高频场场能 。 最 后 ， 经过能量交换后的电子离 开高频互作用区 ， 在迅速减弱的磁场中打在管子的
４］ 。 同时 ， 被收集极吸收 ［ 使用内置的 准光 收集极上 ，
模式转换器 ， 由一个准光发射器和若干镜面组成 ， 被 激起的高阶射频模 式 被 转 换 成 高 斯 波 束 ， 并经冷却
］ ６－７ 。 的金刚石窗片输出 ［
标准为 ： １ ＭＷ 功 率 、 ５ ０ ０ｓ 脉 宽 、 ５ ０％ 效 率 。 为 此 ， 自国际热核聚变实 验 开 展 以 来 ， 在不同频段的回旋 振 荡 管 工 程 设 计 方 面， 俄罗斯应用物理研究所 （ 与 ＧＹ 日本原子能研究所（ 与 Ｉ Ａ Ｐ） Ｃ ＯＭ、 Ｊ Ａ Ｅ Ａ） 德国卡尔斯鲁尔技术研究中心 Ｔ Ｏ Ｓ Ｈ Ｉ Ｂ Ａ 公 司、 （ 前身为 Ｆ 等研究机构分别取得较大进展 ， Ｋ Ｉ Ｔ， Ｚ Ｋ） 已能实现 准 连 续 波 （ 脉冲宽度在６ 输 出， ０ｓ 以 上 ）
２ Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ 计划所用１ ７ ０Ｇ Ｈ ｚ与 １ ２ ０Ｇ Ｈ ｚ回 旋振荡管的研究概况
针对 Ｉ 很多国家正在开展兆瓦 Ｔ Ｅ Ｒ 计划 要 求 ， 、 级、 连续 波 （ 效率约５ ＣＷ ） ０％ 的 １ ７ ０ ＧＨ ｚ与 １ ２ ０ 并已经取得很 ＧＨ ｚ回旋振荡管的实验和理论 研 究 ， 大的进展 ， 表 １ 给出了 Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ 计划所用１ ７ ０ＧＨ ｚ回 旋振荡管的发展情 况 ， 下面评述各主要研究机构在 １ ７ ０ＧＨ ｚ与 １ ２ ０ＧＨ ｚ回旋振荡管的具体研究现状 。
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１ ６ ５ 收集极 ， 注 ：
２ ． １ Ｉ Ａ Ｐ和 Ｇ Ｙ Ｃ ＯＭ 回旋振荡管 ／ Ｉ Ａ Ｐ ＧＹ Ｃ ＯＭ 研 制 的 用 于 Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ 的１ ７ ０ ＧＨ ｚ 回旋 管
［ ８］
， 式， 在脉冲长度 ０ 输出功率１ ． １ｓ ． ５ ＭＷ 的 研 究 目 首次实验获得 １ 效率 ４ 标下 ， ． ４ ４ ＭＷ 输出功率 ， １％ ） 的结 果 ， 图 ３（ 为 其 样 管。 近 期 的 一 次 测 试 结 果 ａ 为： 在加 速 电 压 ９ 电流５ 获得了 ４ｋ Ｖ， ５ Ａ 条 件 下， １ ． ４ ７ ＭＷ 的 稳 态 工 作 输 出 功 率 和 ４ ２％ 的 总 效 率 ， ９］ 。 此 外， 经测 量 辐 射 损 耗 小 于 输 出 功 率 的 ２％ ［ ／ Ｉ Ａ Ｐ ＧＹ Ｃ ＯＭ 研 制 出 工 作 模 式 为 Ｔ Ｅ ７ ０ ２ ５， １ ０ 的 １
表 １ Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ 所用 １ ７ ０Ｇ Ｈ ｚ回旋管的发展现状
公司 ／ Ｉ Ａ Ｐ ＧＹ Ｃ ＯＭ ／ ＧＨ ｚ ｆ １ ７ ０ 模式 Ｔ Ｅ ２ ８， １ ２ Ｔ Ｅ ２ ５， １ ０ ／ Ｊ Ａ Ｅ Ａ Ｔ Ｏ Ｓ Ｈ Ｉ Ｂ Ａ １ ７ ０ Ｔ Ｅ ３ １， １ １ Ｔ Ｅ ３ １， １ ２ Ｔ Ｅ ３ １， ８ Ｔ Ｅ ３ １， １ ７ Ｔ Ｅ ３ ４， １ ９ ／ＭＷ Ｐ １ ． ４ ７ １ ． ０ ２ ０ ． ８ １ ． ３ ５ １ ． ５ ６ １ ． ０ ０ ． ８ ２ ． ２ ２ ． ２ 效率／％ （ ４ ２ Ｓ Ｄ Ｃ＊ ） （ ５ ３ Ｓ Ｄ Ｃ） （ ５ ５ Ｓ Ｄ Ｃ） ３ １ ２ ７ （ ５ ５ Ｓ Ｄ Ｃ） （ ５ ７ Ｓ Ｄ Ｃ） （ ４ ８ Ｓ Ｄ Ｃ） ３ ０ 脉冲长度／ ｓ ０ ． １ ２ ４ ０ ８ ０ ０ － － ８ ０ ０ ３ ６ ０ ０ ０ ． ０ ０ １ ０ ． ０ ０ １ 腔体结构 圆柱腔 圆柱腔 圆柱腔 圆柱腔 圆柱腔 圆柱腔 圆柱腔 同轴腔 同轴腔
此外印度也在开展这一频段的研究工作22其它热核聚变装置所用回旋振荡管的研究概况除了iter计划外国际上的热核聚变装置主要有德国建造的w7x建在德国伽兴为世界最大的仿星器实验装置基于目前的w7as装置及先进螺旋仿星器结构计划在2014年建成其ecrh系统需要140ghz兆瓦级连续波回旋管美国的diiid由美国通用原子公司建在圣迭戈市是上世纪80年代建立的托卡马克装置由110ghz兆瓦级连续波回旋管对等离子体进行加热德国的as真空电子技术vacuumelectronics201202dexu建于1991年为德国最大托卡马克装置用140ghz兆瓦级回旋管对等离子体进行加热日本的jt60u1985年建成的托卡马克装置采用110ghz兆瓦级回旋管加热等离子体现正采用铌钛合金线圈超导升级成jt60sa系统预计运转至2016年和英国jet建于1983年是目前世界运转的核聚变装置中最大的磁约束等离子体托卡马克装置等下面对它们所采用的不同频段的回旋振荡管进行分析评述
ＶＡＣＵＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮ Ｉ ＣＳ 真空电子技术
· 综述 ·
国际热核聚变装置用回旋管的 现状及技术分析
李志良 ， 冯进军 ， 刘本田 ， 王峨锋 ， 曾 旭
（ ） 北京真空电子技术研究所 ， 微波电真空器件国家级重点实验室 ， 北京 １ ０ ０ ０ １ ５
Ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ Ｓ ｔ ａ ｔ ｕ ｓ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｇ ｒ ｏ ｔ ｒ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ Ｆ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ Ａ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｙ ｐ ｐ
［］ 英国的 Ｊ ６ ０ Ｕ、 Ｅ Ｔ 和俄罗斯的 Ｆ Ｔ ２等装置 ２ 。其 － 总投资高达百亿欧元 ， 号称当今世界 中Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ 计划 ，
上最昂贵的大科学工程 ， Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ 装置的剖面图如图 １
３］ 。 所示 ［ Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ 计划中的等离子体启动采用１ ２ ０
而等离子体加热采用 １ ＧＨ ｚ回旋振荡管 ， ７ ０ＧＨ ｚ的 回旋振荡管 ， 借助电子和毫米波回旋谐振作用 ， 将电
摘要 ： 回旋管是一种具有重要发展前景的高功率毫米波和太赫兹源 。 本 文 简 要 介 绍 了 回 旋 振 荡 管 的 结 构 和 基 本 原 理 ， 并 且评述了国际热核聚变装置中所用 １ １ ０， １ ４ ０和１ ７ ０ＧＨ ｚ回旋振荡管的发展现况和趋势 。 同时指出了 回 旋 振 荡 管 发 展 中 存 在 的关键问题并给出了可能解决的技术途径 。 关键词 ： 国际热核实验反应堆 ； 电子回旋谐振加热和电流驱动 ； 回旋管 ； 热核聚变 ； 高功率 （ ） 中图分类号 ： Ｔ Ｎ １ ２ ９ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ２－８ ９ ３ ５ ２ ０ １ ２ ０ ２－０ ０ ４ ７－０ ８
， 采用的是一种锥形波浪状波导壁发射器
／ 的新 型 准 光 模 式 变 换 器 ， 实验获得了０ ． ９ ＭＷ ２ ０ ， ／ ／ ｓ ０ ． ６ ＭＷ ２ ５ ０ｓ 和 ０ ． ５ ＭＷ ３ ０ ０ｓ 输 出 结 果 。 并 采用传统的圆柱渐变腔 ， 应用腔体冷却系统 ， 增加兆 瓦级回旋管输出功 率 ， 该管选择 Ｔ Ｅ ２ ８， １ ２作 为 工 作 模
发展新型低 为了解决世界 的 能 源 与 环 境 问 题 ， ， 碳能源成为各国研 究 的 热 点 而 核 聚 变 能 具 有 明 显
１］ 。 为此 ， 的优势 ， 有望成为未来理想的能源 ［ 为了探
索受控热核聚变的 可 行 性 ， 国际上开展了各种核聚 、 变实验 ， 例如 国 际 热 核 实 验 反 应 堆 （ 德国的 Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ） 中国的 ＨＬ 美国的 Ｄ Ｗ ７ ２ Ａ和Ｅ Ａ Ｓ Ｔ、 Ｉ －Ｘ 仿星器 、 － － 、 、 和 德 国 的 日 本 的 Ｉ Ｉ ＨＢ Ｅ Ｐ Ａ Ｓ Ｄ Ｅ Ｘ－Ｕ Ｊ Ｔ －Ｄ －Ｔ －
５］ 。 功率达到兆瓦级 ［ ５ ０％ 左右的效率 ，
图 ２ 单腔回旋振荡管结构示意图
１ 回旋振荡管的结构和工作原理
图 ２ 为单腔回旋振荡管的基本结构 ， 由电子枪 、 高频互作用谐振腔电路 、 超导磁体系统 、 准光模式变 换输出耦合系统 、 收集极和高功率容量输出窗等部 分组成 。 其主要工 作 原 理 ： 由磁控注入电子枪发射 的环状空心电子注 ， 经过一段逐渐增强的磁场 ， 产生 使得电 子 的 部 分 纵 向 动 能 转 化 为 横 向 动 绝热压缩 ， 能 。 然后 ， 电子 注 进 入 高 频 互 作 用 电 路 — 开 放 式 谐 振腔 ， 并与腔内的高频电磁场相互作用 ， 将其动能转
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真空电子技术 ＶＡＣＵＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮ Ｉ ＣＳ
一种理想的等离子体辅助加热手段 。 射频功率可由 与聚变等离子体分 开 放 置 的 准 光 发 射 器 输 入 ， 再经 利用波与 过波导传输后经由 天 线 注 入 等 离 子 体 中 ， 等离子体 的 相 互 作 用 进 行 等 离 子 体 加 热 或 电 流 驱 动 。 在国际热核聚 变 装 置 中 ， 电子回旋谐振系统是 其中一个主 要 的 加 热 和 电 流 驱 动 工 具 ， Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ 计划 初期需要总 注 入 功 率 ２ 即需要多个 ４ ＭＷ 的 能 量 ， 兆瓦级毫米波源 ， 以把等离子体加热到燃点 ， 也就是 到核聚变反应所产生的能量可以自行维持所需的高
４］ 。 本文对国际 磁波的能量转换为等离子体的热能 ［
图 １ Ｉ Ｔ Ｅ Ｒ 系统的剖面图
热核聚变装置中应用的高功率毫米波回旋振荡管的 结构原理及最新进展进行了简要介绍 。
在核聚变研究中 ， 电子回旋谐振加热（ Ｅ Ｃ ＲＨ） 和电子回旋 电 流 驱 动 （ 具 有 独 特 的 优 点， 是 Ｅ Ｃ Ｃ Ｄ）