一种电子回旋共振加热系统微波发射天线

技术领域

本发明涉及等离子体加热技术领域，尤其涉及一种电子回旋共振加热系统微波发射天线。

背景技术

电子回旋共振加热系统包括有微波波源、微波发射天线以及待加热的等离子体真空区域，微波发射天线的一侧与等离子体真空区域连接，另一侧与微波波源连接。微波波源产生的微波经过微波发射天线处理后以一定方向和角度注入待加热的等离子体真空区域，并与等离子体发生耦合作用，进而实现对等离子体的加热。电子回旋共振加热系统微波发射天线的结构和工作性能直接决定了电子回旋共振加热系统的加热效果。

通常，微波发射天线包括壳体，壳体形成真空密封腔，真空密封腔内设有波导管、聚焦镜和平面镜。真空密封腔的一侧设有与波导管连通的接口，微波波源产生的微波通过接口送入波导管内，之后穿过波导管，经过聚焦镜和平面镜反射以一定角度注入等离子体所在空间区域。现有技术中，为了调节微波注入待加热的离子体真空区域时的角度，平面镜与壳体转动连接，通过手动调控平面镜的方式来调节微波注入角度。

但是，现有技术中，通过人工手动操作调平面镜的来调节微波注入角度的方式，调控响应速度慢，而且调控精度低，不利于相关科研实验的开展和进行。

发明内容

本发明的实施例提供了一种电子回旋共振加热系统微波发射天线，解决了现有技术中，电子回旋共振加热系统发射天线调节微波注入角度时，调控响应速度慢，精度低的问题。

为达到上述目的，本发明的实施例提供了一种电子回旋共振加热系统微波发射天线，包括壳体，壳体的侧壁设有用于与微波波源连通的开口；壳体内设有波导管、聚焦镜和平面镜。波导管用于传输微波波源产生的微波，波导管第一端与上述开口连接固定，第二端位于壳体内；聚焦镜用于聚焦并反射所述波导管输出的微波，聚焦镜与壳体转动连接，且与波导管的第二端相对设置；平面镜用于反射经过聚焦镜反射的微波，平面镜与壳体转动连接，且平面镜的镜面与聚焦镜的镜面相对设置。电子回旋共振加热系统微波发射天线还包括驱动组件，驱动组件用于驱动聚焦镜，和/或，驱动平面镜转动。

本发明的实施例提供的电子回旋共振加热系统微波发射天线，包括壳体，壳体的侧壁设有用于与微波波源连通的开口；壳体内设有波导管、聚焦镜、平面镜，波导管的第一端与上述开口连接固定，第二端位于在壳体内，聚焦镜与波导管的第二端相对设置；平面镜的镜面与聚焦镜的镜面相对设置。还包括有驱动组件，驱动组件用于驱动聚焦镜，和/或，驱动平面镜转动。电子回旋共振加热系统工作时，微波波源产生的微波通过开口进入波导管的第一端，并由第二端射出，射出的微波撞击到与第二端相对的聚焦镜的镜面上，经过聚焦镜的反射和聚焦后，将微波射到平面镜上，然后微波经平面镜反射后，以一定角度注入到等离子体需要加热的真空区域。聚焦镜和平面镜都与壳体转动连接，驱动组件通过调整聚焦镜与波导管之间的夹角；或者调整聚焦镜与平面镜之间的夹角；或者同时调整聚焦镜与波导管之间的夹角和聚焦镜与平面镜之间的夹角，对微波注入等离子体需要加热的真空区域时的入射角进行调整。相较于传统技术中，通过手动调节平面镜的方式来调整上述入射角的方式；本发明实施例的电子回旋共振加热系统微波发射天线，由于增加了驱动组件，可以通过驱动组件自动控制调节该入射角，操作简单方便；电动调节的速度更快，可以加快电子回旋共振加热系统响应改变第一入射角操作的速度。而且，现有技术中，只能控制调节平面镜。本发明实施例中，聚焦镜和平面镜均与壳体转动连接，且都可以通过驱动组件进行角度调节，微波进入待加热真空区时的入射角调整范围和调节的精度更高。

附图说明

图1为本发明实施例的微波发射天线的立体结构示意图一；

图2为本发明实施例的微波发射天线的立体结构示意图二；

图3为本发明实施例的微波发射天线的驱动组件的结构示意图；

图4为本发明实施例的微波发射天线的驱动电机与波纹管连接方式的结构示意图；

图5为本发明实施例的微波发射天线的波纹管的结构示意图。

附图标记

1-壳体；11-开口；12-观察窗；13-卸扣；14-吊耳通孔；15-密封法兰；2-波导管；21-第一端；22-第二端；3-聚焦镜；31-第一转轴；4-平面镜；41-第二转轴；5-驱动组件；51-驱动电机；511-套管；512-螺纹杆；52-传动结构；521-推杆；522-连杆；53-波纹管；531-真空密封法兰；532-直管段；533-波纹段；534-连接段；6-转接件；61-套筒；611-刻度线；7-第一支架；8-第二支架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了方便描述，本申请中，将“等离子体需要加热的真空区域”简称为“等离子体分布区”；将“微波注入到等离子体需要加热的真空区域时的入射角”简称为“第一入射角”；将“电子回旋共振加热系统微波发射天线”简称为“微波发射天线”。

本发明的实施例提供了一种微波发射天线，如图1和图2所示，包括壳体1，壳体1的侧壁设有用于与微波波源连通的开口11；壳体1内设有波导管2、聚焦镜3和平面镜4。波导管2用于传输微波波源产生的微波，波导管2的第一端21与上述开口11连接固定，第二端22位于壳体1内；聚焦镜3用于聚焦并反射波导管2注入的微波，聚焦镜3与壳体1转动连接，且与波导管2的第二端22相对设置；平面镜4用于反射经过聚焦镜3反射的微波，平面镜4与壳体1转动连接，且平面镜4的镜面与聚焦镜3的镜面相对设置。微波发射天线还包括驱动组件5，驱动组件5用于驱动聚焦镜3，和/或，驱动平面镜4转动。

本发明的实施例提供的微波发射天线，如图1和图2所示，包括壳体1，壳体1的侧壁设有用于与微波波源连通的开口11；壳体1内设有波导管2、聚焦镜3、平面镜4。波导管2的第一端21与上述开口11连接固定，第二端22位于在壳体1内，聚焦镜3与波导管2的第二端22相对设置；平面镜3的镜面与聚焦镜4的镜面相对设置。微波发射天线还包括有驱动组件5，驱动组件5用于驱动聚焦镜3转动，和/或，驱动平面镜4转动。电子回旋共振加热系统工作时，微波波源产生的微波通过开口11进入波导管2的第一端21，并由第二端22射出，射出的微波撞击到与第二端22相对的聚焦镜3的镜面31上，经过聚焦镜3的反射和聚焦后，将微波射到平面镜4上，然后微波并经平面镜反射后，以一定角度注入到等离子体分布区。聚焦镜3和平面镜4都与壳体1转动连接，驱动组件5通过调整聚焦镜与3波导管2之间的夹角；或者调整聚焦镜3与平面镜4之间的夹角；或者同时调整聚焦镜3与波导管2之间的夹角以及聚焦镜3与平面镜4之间的夹角，对第一入射角进行调整。相较于传统技术中，通过手动调节平面镜的方式来调整第一入射角。本发明实施例的微波发射天线，由于增加了驱动组件5，可以通过驱动组件5自动控制调节第一入射角，操作简单方便；且电动调节的速度更快，可以加快电子回旋共振加热系统响应改变第一入射角操作的速度。而且，现有技术中，只能控制调节平面镜来调节第一入射角。本发明实施例中，聚焦镜3和平面镜4均与壳体1转动连接，且都可以通过驱动组件5进行角度调节，第一入射角的调整范围和调节的精度更高。需要理解的是，聚焦镜3和平面镜4均与壳体1转动连接是指：聚焦镜3和平面镜4都可以产生相对于壳体1的转动。

需要说明的是，为了保证壳体1围成的腔体的密封性能，如图2所示，在开口11的外侧壁上设有密封法兰15，微波传输线与波导管2通过密封法兰15密封连接；微波发射天线与等离子体分布区之间通过连接活套法兰连接固定，将壳体1内围成真空密封腔。微波由波源输出后经传输线传输至微波传输线与波导管的连通处，并沿波导管2注入真空密封腔，然后依次经过聚焦镜3和平面镜4，最终以某一角度注入等离子体分布区，进行等离子体加热。

本发明实施例的微波发射天线，如图3所示，驱动组件5包括驱动电机51和传动结构52。调节第一入射角的方式有三种，分别为：单独调节聚焦镜3；单独调节平面镜4；既调节聚焦镜3，又调节平面镜4。为了方便驱动电机51单独控制聚焦镜3的转动角度，以及单独控制平面镜4的转动角度，本发明实施例中，驱动电机51的数量为两个，其中一个聚焦镜3转动。另一个驱动电机51用于驱动平面镜4转动。相较于现有技术中，只能通过调节平面镜的方式调节第一入射角。本发明实施例调节第一入射角的方式更多，且精度更高。聚焦镜3与波导管2之间的夹角，以及聚焦镜3与平面镜4之间的夹角，组合方式更多，第一入射角的调整范围更大。传动结构52用于连接驱动电机51和聚焦镜3，以及驱动电机51和平面镜4，以使由驱动电机51产生的动能能够传递至聚焦镜3和平面镜4上，并使聚焦镜3或平面镜4产生相应的转动。

需要说明的是，也可以只设置一个驱动电机51，此时，需要设有切换结构，驱动电机51在切换结构的帮助下，可以单独驱动聚焦镜3转动，或者单独驱动平面镜4转动，或者同时驱动聚焦镜3和平面镜4转动。但是，一方面增加切换结构，使驱动组件5的结构复杂，不便于实际应用。另一方面，一个驱动电机51同时驱动聚焦镜3和平面镜4转动时，聚焦镜3和平面镜4的转动控制难度较大；当既需要驱动聚焦镜3转动，又需要驱动平面镜4转动时，只能先驱动其中一个，在驱动另一个。因此，本发明实施例中，采用两个驱动电机51分别驱动聚焦镜3和平面镜4转动。

本发明实施例中，调整第一入射角时，聚焦镜3和平面镜4都是在一定角度范围内进行往复小角度的转动，聚焦镜3和平面镜4在往复转动过程中都有极限位置，聚焦镜3和平面镜4的最大的转动幅度都很小；而且，为了提升第一入射角的调整精度，对聚焦镜3或平面镜4进行调整时，要求每次聚焦镜3或平面镜4的转动角度都很小。因此，要求传动结构52有将驱动电机51的转动角度放小的功能，例如：驱动电机51转动数转，传动结构只带动聚焦镜3或平面镜4转动很小的角度。

传动机构52的类型有很多种，例如齿轮传动，链传动，带传动等，每种传动方式都有各自的优缺点。但是，本发明实施例中，传动机构52需要将驱动电机51输出轴的转动最终转化成聚焦镜3或平面镜4的转动。因此，本发明实施例中，如图3所示，传动机构52包括推杆521和连杆522。推杆521和连杆522的数量均为两个，其中一个推杆521和一个连杆522用于连接驱动电机51和聚焦镜3，此时，推杆521的一端与驱动电机51连接，另一端与连杆522的一端转动连接，连杆522的另一端与聚焦镜3的背面转动连接。另一个推杆521和另一个522用于连接驱动电机51和平面镜4，诗词，推杆521的一端与驱动电机51连接，另一端与连杆522的一端转动连接，连杆522的另一端与平面镜4的背面转动连接。驱动电机51可以带动推杆521沿推杆521的延伸方向往复运动，在此该过程中，连杆522与推杆521连接的一端沿推杆521的延伸方向做直线运动，与聚焦镜3连接的一端带动聚焦镜3或平面镜4转动。其中，推杆521的延伸方向与聚焦镜3或平面镜4的转动轴线为异面垂直，即，推杆521与聚焦镜3或平面镜4的转动轴线位于不同平面，且两者的延伸方向相互垂直。若推杆521与聚焦镜3的转动轴线不垂直，或者，推杆521与聚焦镜3的转动轴线位于同一个平面内，会增加推杆521推动聚焦镜3转动时需要的推力的大小。

一般情况下，为了方便维护更换，以及降低安装难度，都会将驱动电机51位于壳体1的外部，推杆521穿过壳体1与驱动电机51连接。但是，电子回旋共振加热系统使用时，需要保证微波发射天线壳体内为真空密封环境。为了保证壳体1内部空间的密封性，如图5所示，驱动组件5还包括套设在推杆521的外侧的波纹管53，波纹管53的一端与壳体1密封连接，另一端封闭。推杆521伸出壳体1的部分被波纹管完全包覆，壳体1和波纹管53共同组成密封空间。推杆521靠近驱动电机51的一端与波纹管53封闭端的内壁连接固定，驱动电机51与推杆521的封闭端的外侧壁连接固定。驱动电机51通过波纹管53连接固定。为了使驱动电机51能够带动波纹管53内的推杆521运动，波纹管53可沿波纹管53的延伸方向伸缩变形。当驱动电机51对波纹管53施加沿波纹管53轴向的力时，波纹管53被拉伸或者压缩，并带动内部的推杆521产生沿波纹管53轴向的位移。

本发明实施例的波纹管53沿其延伸方向，从与壳体1密封连接的一端至封闭端依次包括真空密封法兰531，直管段532，波纹段533和连接段534，波纹管53通过真空密封法兰531与壳体1密封连接；直管段532只要用于包覆推杆521，直管段532的长度根据推杆521伸出壳体1的长度而定；波纹段533为可伸缩变形的段，波纹段533收到轴向力时，其可被拉伸或者被压缩，以实现波纹管53整体的长度变化，进而带动内部的推杆521产生相同大小的位移量；连接段534用于与波纹管53内部的推杆521，以及外侧的驱动电机51相连，连接段534的一端与波纹段533密封连接，另一端包括与连接段534垂直的底板，底板将连接段534的端部封闭。推杆521靠近驱动电机51的一端与底板靠近波纹段533的一侧固定连接；驱动电机51用于推动推杆521运动的一端与底板远离波纹段533的一端固定连接。

需要说明的是，本发明实施例中，如图2和图3所示，由于聚焦镜3和平面镜4平行、相对设置，聚焦镜3的背面朝向左上方，平面镜4的背面朝向右下方设置。为了减小本发明实施例的微波发射天线的体积，节约空间，通常将两个驱动电机51安装在壳体1同一侧，而且两个推杆521相互平行设置。如图3所示，当用于连接驱动电机51和聚焦镜3的推杆521与聚焦镜3的转动轴线较近时，为了使连杆522能够顺利的带动聚焦镜3发生转动，连杆522弯曲设置，且连杆522靠近聚焦镜3的一端朝聚焦镜3的转动轴线的方向弯曲。

为了将驱动电机51的转动转换成推杆521的直线运动，可选的，如图4所示，在驱动电机51与推杆521之间设有套管511和螺纹杆512，套管511的内壁设有与螺纹杆512匹配的螺纹。驱动电机51的输出轴与套管511的一端连接固定；螺纹杆512套设在套管511内，并与套管511通过内螺纹连接；螺纹杆512远离驱动电机51的一端与波纹管53靠近驱动电机51的一端连接固定。当驱动电机51转动时，带动套管511转动，螺纹杆512在螺纹的作用下产生相对于套管511的转动，并在转动过程中产生沿轴向的位移。驱动电机51还可以选着其他方式与波纹管53相连，例如齿轮齿条结构，齿轮蜗杆结构等，只要可以实现将驱动电机51输出轴的转动转化成推杆521沿其轴向的移动就可以。

为了方便微波发射天线的移动，驱动电机51与壳体1的外侧壁连接固定，由于驱动电机51位于远离壳体1的位置，因此，在壳体1与驱动电机51之间设有转接件6，转接件6的一端与壳体1的外侧壁连接固定，另一侧与驱动电机51连接固定。

聚焦镜3和平面镜4的转动角度范围与推杆521的位移量程正相关，推杆521的位移量程越大，聚焦镜3和平面镜4的转动角度范围越大，而波纹管53的可伸缩量决定了推杆521的位移量程。为了保证聚焦镜3和平面镜4可以在一定范围内进行转动，本发明实施例中，波纹段533的最大伸缩量大于等于30毫米。

本申请中，聚焦镜3的转动角度的范围为25°～55°，平面镜4的转动角度的范围20°～40°。其中，如图3所示，聚焦镜3的转动角度是指：聚焦镜3所在平面与波导管2延伸方向的夹角；平面镜4的转动角度是指：平面镜4所在平面与波导管2延伸方向的夹角。

本发明实施例中，转接件6包括套设在波纹管53外侧的套筒61，套筒61上与波纹段533对应的位置设有刻度线611，对应的，波纹段533上设有用于表示推杆位置的与刻度线611对应的标识，该标识每与刻度线611对应一个位置都可以表示出一个波纹管53的位置，驱动电机51带动波纹管53运动时，根据两个位置的差值，可以计算出波纹管53的运动行程，即推算出推杆521的运动行程，并且根据推杆521的运动行程可以得出计算得出聚焦镜3或平面镜4的转动角度，进而直观的观察和记录研究数据。

在调试阶段，可以记录不同的波纹管53的伸缩量对应的聚焦镜3或平面镜4的转动角度，确定推杆521位移量与聚焦镜3或平面镜4的转动角度之间对应的关系，并安装在套筒61上刻画对应的刻度线611，每刻度线611对应一个推杆521的位置，得出推杆521的运动行程；并且可以根据推杆521的运动行程，计算得出聚焦镜3或平面镜4的转动角度，进而直观的观察和记录研究数据。

为了方便远程控制，或者自动化控制驱动电机51的运动，从而控制聚焦镜3或平面镜4的转动角度，调整第一入射角；本发明实施例的微波发射天线还包括指令输入单元和控制单元，指令输入单元用于接收使用者的操作指令，并将该操作指令传输至控制单元；然后控制单元控制驱动组件5按照操作指令工作，同时带动与驱动组件5相连接的相关结构件运动，最终调整第一入射角的角度。可选的，控制单元可以包括PLC程序。

为了方便聚焦镜3和平面镜4的固定，本发明实施例的微波发射天线，如图1所示，还包括第一支架7和第二支架8。第一支架7用于支撑固定所述聚焦镜3，第一支架7位于壳体1和聚焦镜3之间，第一支架7的一端与壳体1的内壁连接固定，聚焦镜3通过第一转轴31与所述第一支架7转动连接。第二支架8用于支撑固定平面镜4，第二支架8位于壳体1与平面镜4之间，第二支架8的一端与壳体连接固定，平面镜4通过第二转轴41与所述第二支架8转动连接。其中，第一转轴31的延伸方向与第二转轴41的延伸反向相同，以使聚焦镜3和平面镜4转动过程中，聚焦镜3和平面镜4始终相对设置，经过聚焦镜3反射聚焦后的微波都能够射到平面镜4的上。

可选的，如图1所示，第一支架7包括两个垂直于壳体1的支撑柱，支撑柱与壳体1之间设有定位结构和连接结构。安装时，支撑柱与壳体1之间通过定位结构定位，确定支撑柱与壳体1之间的相对位置；定位结构可以为销钉，以及位于支撑柱和壳体1相应位置处的定位孔。定位后，通过连接结构将支撑柱固定在壳体1上，连接结构可以是螺钉。第二支架8与第一支架7的结构相似，第二支架8也包括两个垂直于壳体1的支撑柱，其具体结构在此不再一一赘述。

需要说明的是，为了方便观察壳体1内部聚焦镜3和平面镜4的转动等情况，壳体1上还设有观察窗12。壳体1的顶部设有用于吊装的卸扣13。壳体1两侧设有用于调节水平度的吊耳通孔14，在微波发射天线调试过程中，通过调节微波发射天线支架两侧螺杆来调节微波发射天线的水平位置，保证聚焦镜3和平面镜4顶部平面处于水平状态。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。