專利名稱：一種波導(dǎo)內(nèi)微波擊穿保護方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及波導(dǎo)高功率微波運行時微波擊穿的保護技術(shù)。
背景技術(shù)：
目前國內(nèi)許多大功率的微波系統(tǒng)，比如雷達系統(tǒng)、HT-7、HL-2A托卡馬克裝置等離子體低混雜波加熱系統(tǒng)。一般采用將光敏器件直接安裝在波導(dǎo)壁上，通過波導(dǎo)壁上的小孔來檢測速調(diào)管放大器輸出窗或者波導(dǎo)內(nèi)微波窗等器件周圍的拉弧打火擊穿。但是這樣做有時候由于存在長線傳輸信號的影響，很容易受到外界強電磁脈沖的干擾；而且，這種方法當波導(dǎo)內(nèi)存在強烈的背景雜光而不是微波擊穿時的打火光時，很容易發(fā)出錯誤指令導(dǎo)致誤判斷。并且，有時候在高真空環(huán)境下安裝這種光敏器件在使用和維護上都存在很大的困難；或者在有核輻射和微波輻射環(huán)境下，維護這種器件容易使人受到輻射危害；同時不能很好的將微波系統(tǒng)的地線和檢測系統(tǒng)的地線明顯的隔離起來，從而使檢測系統(tǒng)的可靠性存在一定的隱患。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)課題是實現(xiàn)在高功率微波運行時和強電磁干擾環(huán)境、有核輻射環(huán)境以及高真空環(huán)境共同作用下，準確檢測到波導(dǎo)射頻擊穿打火的信號，并且在20us以內(nèi)迅速關(guān)斷微波開關(guān)，切斷微波輸出，從而有效保護整個微波系統(tǒng)和各種微波器件。
本發(fā)明提出一種波導(dǎo)內(nèi)微波擊穿保護方法，可以在高功率微波和強電磁干擾、有核輻射或者高真空的環(huán)境下，以及在有強烈的背景雜光的情況下，準確地檢測到波導(dǎo)內(nèi)射頻擊穿打火的信號，然后經(jīng)過電路處理以后，可以在20us以內(nèi)關(guān)斷微波開關(guān)，切斷微波輸出，從而有效的保護整個微波系統(tǒng)和微波器件不受損害。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種波導(dǎo)內(nèi)微波擊穿保護方法，其特征在于波導(dǎo)壁上開一個小孔，然后在小孔周圍焊接一個密閉的不銹鋼圓管，不銹鋼圓管內(nèi)有石英玻璃視窗和可閥管密封組件，在玻璃視窗的外側(cè)設(shè)置一個消色差和球差的聚焦透鏡組，從波導(dǎo)壁小孔中發(fā)出的擊穿打火光經(jīng)過石英玻璃視窗到達聚焦透鏡組聚焦到光纖導(dǎo)光纜端面上，由光纖導(dǎo)光纜將光信號傳輸?shù)竭h離輻射的環(huán)境下，再進行光電轉(zhuǎn)換，并轉(zhuǎn)換成脈沖信號經(jīng)過光隔離驅(qū)動去關(guān)斷微波開關(guān)。
所述的方法采用光纖導(dǎo)光纜將光信號傳輸?shù)竭h離輻射的環(huán)境下，經(jīng)過光電三極管轉(zhuǎn)換為電流信號，然后經(jīng)過電流-電壓變換電路變?yōu)殡妷盒盘?，再?jīng)過濾波放大以后，經(jīng)過比較器產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，最后經(jīng)過脈沖展寬為一定時間寬度的脈沖，經(jīng)過光隔離驅(qū)動去關(guān)斷微波開關(guān)一段時間。
所述的小孔為位于波導(dǎo)寬邊中央沿著波導(dǎo)傳輸方向的“1”字型槽孔。
一種波導(dǎo)內(nèi)微波擊穿保護方法，其特征在于所述的不銹鋼圓管與波導(dǎo)壁是傾斜的，正對被保護的微波器件。
所述的導(dǎo)光纜是通光截面直徑為大于0.8mm而小于1.5mm的光纖導(dǎo)光纜。
關(guān)斷微波開關(guān)的時間是可以在10ms-500ms范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)其時間寬度的。
由于直接在波導(dǎo)壁上安裝光敏器件存在一系列的缺點。本發(fā)明采用了聚光透鏡組和光纖導(dǎo)光纜來傳送大功率微波擊穿打火時的光信號，然后在遠離輻射的環(huán)境下，用硅光電三極管進行光電轉(zhuǎn)換檢測。通過電路信號處理發(fā)出保護信號，去關(guān)斷微波開關(guān)一段時間，切斷微波輸出。
發(fā)明效果在2006年秋季EAST超導(dǎo)托卡馬克裝置首輪放電實驗中，在高功率低混雜波系統(tǒng)中本發(fā)明方法得到了驗證。在注入高功率的2.45GHz的微波時，同時存在強烈的等離子體背景光輻射的情況下，通過透鏡組和光纖導(dǎo)光纜準確探測到了真空室內(nèi)波導(dǎo)段陶瓷窗附近的真空擊穿打火。并且迅速關(guān)斷了微波開關(guān)，切斷了微波輸出，從而有效地保護了陶瓷窗和系統(tǒng)的安全。同時，把經(jīng)過轉(zhuǎn)換的電壓信號送入計算機，計算機顯示的入射和反射功率信號，以及打火信號很好的吻合，打火一般發(fā)生在連續(xù)的高反射情況下，并且打火后迅速關(guān)斷了微波開關(guān)，切斷了微波的輸出，證明了保護的準確有效。沒有受到強烈等離子體背景光的干擾。
本發(fā)明運用聚光透鏡組和光纖導(dǎo)光纜來傳送擊穿打火的光信號，從而可以在遠離核輻射的地方探測波導(dǎo)內(nèi)擊穿打火。同時，由于有輻射的區(qū)域內(nèi)只有透鏡組和光纖導(dǎo)光纜等無源器件，導(dǎo)光纜不受輻射和電磁脈沖干擾，信號處理電路放置在沒有輻射的區(qū)域內(nèi)，從而方便了整個保護系統(tǒng)的維護。提高了整個系統(tǒng)的可靠性。
本發(fā)明的技術(shù)可以應(yīng)用于各種高功率微波系統(tǒng)，比如雷達系統(tǒng)，托卡馬克等離子體加熱的大功率低混雜波系統(tǒng)，以及各種速調(diào)管輸出窗的拉弧打火保護系統(tǒng)。可以有效保護整個微波系統(tǒng)和微波器件的安全。同樣可以應(yīng)用于各種科學(xué)實驗研究。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的光信號處理流程圖。
圖3是本發(fā)明的計算機顯示的信號圖。
具體實施例方式
微波陶瓷窗8起著隔離真空和大氣的作用，為了增大透光量，本發(fā)明在陶瓷窗的真空側(cè)波導(dǎo)壁1寬邊中央上沿著波導(dǎo)傳輸方向開一個‘1’字型的槽孔，所開孔的大小經(jīng)過計算不影響大功率微波的傳輸。又能保證在擊穿打火時有足夠的光通量透過小孔。在小孔外的波導(dǎo)壁1上，焊接一段不銹鋼圓管7，圓管7內(nèi)插入可閥管5與石英玻璃片2密封組件，可閥管5與不銹鋼管后端用高溫氬弧焊接密封。這樣就保證了微波系統(tǒng)波導(dǎo)的高真空環(huán)境。不銹鋼圓管7的外面加工上一個法蘭，便于探頭的固定。結(jié)構(gòu)如附圖1所示。
在可閥管的外側(cè)安裝有探頭，探頭包括一個圓管，圓管后端也有一個法蘭，圓管端部固定有一個消色差和球差的聚光透鏡組3，聚光透鏡組3的焦點處有光纖導(dǎo)光纜4，光纖導(dǎo)光纜4端面經(jīng)過精確對準焦距以后，密封固定在圓管中央，保證光纖導(dǎo)光纜和透鏡組的相對距離不會受到外面的影響。然后將探頭伸進可閥管5內(nèi)，并通過相互之間的法蘭固定。這樣，波導(dǎo)管內(nèi)擊穿打火后，發(fā)出明亮的弧光。透過小孔和石英玻璃以后，通過探頭上的透鏡組耦合到光纖導(dǎo)光纜內(nèi)。所用導(dǎo)光纜是通光截面直徑為大于0.8mm而小于1.5mm的光纖導(dǎo)光纜，然后經(jīng)過導(dǎo)光纜傳送到遠離輻射的環(huán)境下，再進行光電轉(zhuǎn)換和信號處理。同時，為了自己檢測后面整個電路的穩(wěn)定性和狀態(tài)，從光纖導(dǎo)光纜中分出一少部分光纖絲6作為自檢測的光輸入口。
當自己檢測后續(xù)光纜和電路的穩(wěn)定性和狀態(tài)時，只需要在光纖絲6外面用一束光照射即可得知后面光纖導(dǎo)光纜和電路的運行狀態(tài)。這樣便實現(xiàn)了自檢測功能。
另外，作為本發(fā)明的一個改進，將不銹鋼圓管7和波導(dǎo)壁放置成一個傾斜的角度，使不銹鋼圓管7正對被保護的微波陶瓷窗8。這樣，當真空波導(dǎo)右邊存在強烈的背景雜光時，僅有很少的能量通過小孔和透鏡組3而進入導(dǎo)光纜。而微波陶瓷窗8附近擊穿打火以后，進入到導(dǎo)光纜的光能量很大。這樣做大大減小了背景雜光對判斷的干擾。提高了保護的準確性。
光電轉(zhuǎn)換器件采用了硅光敏三極管，它的上升時間4us，可以保證在系統(tǒng)擊穿時20us以內(nèi)發(fā)出保護信號。光敏三極管產(chǎn)生的是一個電流信號。經(jīng)過光纜傳過來的光經(jīng)過光電三極管轉(zhuǎn)換為電流信號，然后經(jīng)過電流-電壓變換電路變?yōu)殡妷盒盘枴Ｔ俳?jīng)過濾波放大以后，經(jīng)過比較器產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，最后經(jīng)過脈沖展寬為一定時間寬度的脈沖，經(jīng)過光隔離驅(qū)動去關(guān)斷微波開關(guān)一段時間。這個關(guān)斷時間是可以在10ms-500ms范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)其時間寬度的。同時，檢測的靈敏度可以通過調(diào)節(jié)比較器的閾值電平來改變，經(jīng)過測試，整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間可以保證在20us以內(nèi)，并且有很高的抗干擾性。運算放大器采用了低噪聲雙運放，展寬定時采用了集成定時器。為了驗證保護是正確的，本發(fā)明把放大后的電壓信號送入計算機顯示，以便和微波入射、反射功率相比較，確認是真正的擊穿打火。
權(quán)利要求
1.一種波導(dǎo)內(nèi)微波擊穿保護方法，其特征在于波導(dǎo)壁上開一個小孔，然后在小孔周圍焊接一個密閉的不銹鋼圓管，不銹鋼圓管內(nèi)有石英玻璃視窗和可閥管密封組件，在玻璃視窗的外側(cè)設(shè)置一個消色差和球差的聚焦透鏡組，從波導(dǎo)壁小孔中發(fā)出的擊穿打火光經(jīng)過石英玻璃視窗到達聚焦透鏡組聚焦到光纖導(dǎo)光纜端面上，由光纖導(dǎo)光纜將光信號傳輸?shù)竭h離輻射的環(huán)境下，再進行光電轉(zhuǎn)換，并轉(zhuǎn)換成脈沖信號經(jīng)過光隔離驅(qū)動去關(guān)斷微波開關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的方法采用光纖導(dǎo)光纜將光信號傳輸?shù)竭h離輻射的環(huán)境下，經(jīng)過光電三極管轉(zhuǎn)換為電流信號，然后經(jīng)過電流-電壓變換電路變?yōu)殡妷盒盘?，再?jīng)過濾波放大以后，經(jīng)過比較器產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，最后經(jīng)過脈沖展寬為一定時間寬度的脈沖，經(jīng)過光隔離驅(qū)動去關(guān)斷微波開關(guān)一段時間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的小孔為位于波導(dǎo)寬邊中央沿著波導(dǎo)傳輸方向的“1”字型槽孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的不銹鋼圓管與波導(dǎo)壁是傾斜的，正對被保護的微波器件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的方法，其特征在于所述的導(dǎo)光纜是通光截面直徑為大于0.8mm而小于1.5mm的光纖導(dǎo)光纜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的方法，其特征在于關(guān)斷微波開關(guān)的時間是可以在10ms-500ms范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)其時間寬度的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種波導(dǎo)內(nèi)微波擊穿保護方法，其特征在于所述的波導(dǎo)壁上開一個小孔，然后在小孔周圍焊接一個密閉的不銹鋼圓管，不銹鋼圓管內(nèi)有石英玻璃視窗和可閥管密封組件，在玻璃視窗的外側(cè)設(shè)置一個聚焦透鏡組，從波導(dǎo)小孔中發(fā)出的擊穿打火光經(jīng)過石英玻璃視窗到達聚焦透鏡組聚焦到光纖導(dǎo)光纜端面上，由光纖導(dǎo)光纜將光信號傳輸?shù)竭h離輻射的環(huán)境下，再進行光電轉(zhuǎn)換，并轉(zhuǎn)換成脈沖信號經(jīng)過光隔離驅(qū)動去關(guān)斷微波開關(guān)。本發(fā)明運用聚光鏡組和光纖導(dǎo)光纜來傳送擊穿打火的光信號，從而可以在遠離核輻射和微波輻射的地方探測波導(dǎo)內(nèi)擊穿打火。同時，由于有輻射的區(qū)域內(nèi)只有透鏡組和光纖導(dǎo)光纜等無源器件，導(dǎo)光纜不受輻射和電磁脈沖干擾，信號處理電路放置在沒有輻射的區(qū)域內(nèi)，從而方便了整個保護系統(tǒng)地維護。提高了整個系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號H01P1/10GK1945650SQ20061009690
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月18日
發(fā)明者賈華, 劉甫坤 申請人:中國科學(xué)院等離子體物理研究所