胡林林,  孙迪敏,  黄麒力，卓婷婷，龚胜刚，胡  鹏,  蒋  艺, 马国武,  陈洪斌,  马弘舸

(中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900）

（通信作者：胡林林，hulinlin2016@163.com；马国武，huter_ma@126.com）

MW级回旋管目前公认是唯一能用于磁约束聚变装置中电子回旋加热（ECH）、电流驱动（CD）以及电子Bernstein波加热系统的微波源。迄今为止，全世界仅有俄罗斯GYCOM/IAP、美国CPI、日本CETD、欧洲Thales/EGYC四家公司或联合机构研制出了频率100 GHz以上、输出功率近MW级、连续运行几百s至千s以上的回旋管，它们已应用于ITER，W7-X，EAST，JT-60SA，ASDEX-U等多个磁约束聚变装置。双频、多频以及阶跃调频MW回旋管能增强ECH/CD系统的适应性和性能，提高新经典撕裂模（NTM）稳定性的电流驱动CD效率，是升级现有磁约束聚变装置或下一代磁约束聚变装置对回旋管的技术要求，国际上主要回旋管研制机构都已开展了相关的研究。

基于聚变应用，中国工程物理研究院应用电子学研究所在大功率回旋管方面展开了大量的研究工作。近年来，为突破聚变用MW级多频高功率回旋管技术，课题组选用了双频技术路线，研制出了一套105/140 GHz双频MW回旋管，2021年开展了初步的实验研究。该回旋管和实验装置如图1所示，其详细的设计、计算和初步实验结果见。该回旋管的谐振腔、准光模式变换器、输出窗采用了双频复用技术。谐振腔双频模式和频率分别为105 GHz和139.3 GHz。考虑到腔内的束压降，电子束的总束压为-81 kV；电子束的束流设计值为40 A。磁控注入电子枪采用双阳极电子枪，通过控制阴控电压差以及总束电压实现在两个工作磁场（频率）下，电子束速度比控制在约1.2，速度离散小于5%。内置准光模式变换器由辐射器和3个相位校准镜组成，仿真计算得到总转换效率和标量高斯波束的成份分别为97.3%/98%/105 GHz和99.1%/99.7%/140 GHz。输出窗在现阶段采用氮化硼单层窗，窗片直径90 mm、厚度1.93 mm，窗的谐振频率位于工作频率处。为提高总效率，该管采用单级降压收集极，降压幅度达到30 kV。采用扫描线圈降低收集极内壁的沉积功率密度值在0.5 kW/cm2以下。设计的管长度2.53 m，重量约300 kg。采用超导磁体提供工作磁场，中心磁场最大可到7.0 T。

图1 105/140 GHz MW回旋管照片和实验装置

在2021年初步实验中，受阴极电源最大电流只能达到30 A的限制，在105 GHz和140 GHz两工作点的脉冲功率分别达到300 kW和540 kW。本轮实验课题组在前期实验的基础上进行了谐振腔结构优化、阴极工艺的改进；同时，对阴极电源功率容量进行了升级，阴极输出电压最大达到-58 kV，输出电流最大可达到50 A，但受实验室电网容量的限制，阴极电源的单次工作时长不超过1 ms。因此，本轮实验课题组主要是在短脉冲和大电流40 A状态下，通过辐射功率和频率的测量，以及工作磁场的调节，进行回旋管的工作状态的寻优，实现MW级功率输出。回旋管的辐射功率在重频脉冲工作条件下，采用量热法测量，课题组专门研制了一套毫米波功率测量及校准系统；辐射微波频率在单脉冲状态下，采用混频法进行测量。

本轮回旋管的实验结果为：（1）140 GHz点，在阴极电压-51 kV、阳极电压+31 kV、阴极电流42.2 A，重频1 Hz、脉冲个数100个、有效脉宽0.7 ms条件下，测试得到回旋管的脉冲功率为1.05 MW，总效率为49%；（2）在105GHz点，在阴极电压-53 kV、阳极电压+30 kV、阴极电流40 A，相同重频条件下，测量得到脉冲功率为710 kW，总效率34%。

图2为该回旋管在140 GHz工作点，1 Hz重频脉冲运行下的单个测试波形，波形记录了阴极电压、阴极电流、阳极电压和微波检波脉冲信号。测量得到实际阴极电压-51 kV，阳极电压+31 kV，阴极电流42.2 A，微波信号的同步有效脉宽为0.7 ms。

图2 单次脉冲测试波形

图3为在140 GHz点，在1.0 Hz重频，脉冲个数为100时，大功率水负载测试得到的瞬态功率曲线，由该曲线进行功率积分得到回旋管总辐射能量为73.5 kJ，由此得到回旋管脉冲辐射功率为1.057 MW，对应总效率为49%。

图3水负载的瞬态功率波形

目前为止，这是国内首次实现大功率准光回旋管脉冲输出功率达到MW水平。下一步课题组将进一步对整管进行老炼，期望在氮化硼输出窗下实现功率500 kW、脉宽1 s的目标；同时将进行下一阶段的结构优化，电源及控制系统的改进，采用金刚石窗实现MW回旋管的连续波运行。

致谢：感谢国家自然科学基金(12175217）；国家自然科学基金委员会-中国工程物理研究院联合基金(U1830201)对本工作的支持。