EAST4.6GHz低杂波系统的设计与优化

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我国的超导托卡马克EAST是国家“九五”重大科学工程,它的科学目标是发展并建立在非圆截面大型超导托卡马克装置上进行稳定运行所需要的多种技术,开展稳态、安全、高效运行的先进托卡马克聚变堆基本物理问题的实验研究。低混杂波系统作为辅助加热和调控等离子体的电流分布,实现高约束运行模式的最重要手段之一,其设计和建设质量将直接影响装置运行时等离子体的各项基本物理参数。本论文的研究目标就是通过对低杂波传输线和天线结构的物理需求分析,微波器件制造工艺的研究,设计、分析并研制出符合EAST建设目标的4.6GHz6MW低杂波系统。  论文第一章综述了聚变原理、我国的聚变研究事业和超导托卡马克以及低混杂波系统在托卡马克中的作用,回顾了中科院等离子体所的科研工作者们早期建设的低杂波系统。并对低混杂波辅助加热系统的结构做了详尽的阐述。  第二章介绍了低杂波系统馈线系统的结构设计与优化,描述了各微波器件的功用和结构。还对低杂波天线系统做了介绍,包括波导阵天线、模式变换器、天线直波导、天线弯波导等。  论文第三章设计了符合EAST实验需求和现场要求的总体布局及馈线系统的支撑结构,有限元结构分析显示这些支撑都可以满足使用要求。文章还就真空室支撑部件(支撑架、固定地脚、限位机构)做了结构分析,得到真空室和其支撑系统的有限元计算位移分布云图和应力分布,对变形和应力强度不够的结构进行了优化分析,优化后的结果满足设计要求。  第四章提取了整套低杂波系统典型的水冷器件结构,建立热力学模型并进行有限元热-结构耦合分析,通过分析反过来验证和优化天馈线系统微波器件的结构设计。  第五章计算了低杂波系统所需要的真空获得设备的参数,设计并分析、优化了低杂波真空室结构,通过查阅手册和计算得到一系列设计参数,再在CAD系统中装配并进行CAE有限元分析,以此为基础,验证结构的合理性或优化设计参数。真空室属大型薄壁筒体,文中还就设计的三维模型进行了模态分析和屈曲分析。  第六章全面论述了低杂波系统天线和传输线系统关键器件的工艺设计及其优化方案,通过CAD与CAM结合的现代制造方法及最优化的工艺设计和工装设计来保证前面的结构设计和分析计算结果能够得以完整的呈现,这也是对低杂波系统的完整建设提供最有力最直接的支持。  论文的第七章对天线关键器件和馈线器件进行了微波性能测试,测试使用高功率测试台和矢量网络分析仪,分析显示,通过第三章、第四章的设计和第六章的合理工艺设计研制出来首件试验件完全符合工程实际需要。
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