据中国激光杂志社网，于2024年03月03日报道，28 GHz/几十千瓦回旋管是一种低频毫米波中等功率微波源，除作为材料加热的功率源外，目前在许多大科学装置以及前沿科技探索中也有较广泛的应用。例如，磁约束聚变装置中电子回旋共振加热（ECRH)系统、重离子加速器装置ECR离子源、目前热门的微波熔炼钻探技术研究。这些装置或应用要求回旋管能长时间连续稳定运行，工作时长从几秒到连续几十天不等，这对于回旋管的稳定性要求极高。然而，国内一直缺乏这种稳定连续长时间运行的回旋管，只能依赖进口。俄罗斯GYCOM/IAP公司和美国CPI公司具有六十多年回旋管的研究历史，目前28 GHz/20~30 kW此类中等功率连续波回旋管已作为工业产品，基本垄断了国际市场。近年来，中国工程物理研究院应用电子学研究所回旋管研究团队在针对磁约束聚变ECRH、ECR离子源、拒止系统等应用方面，研制了多种不同频率和功率水平的回旋管。
研究进展
2019年，中国工程物理研究院应用电子学研究所研制的28 GHz/50kW回旋管交付新奥能源研究院，用于玄龙50聚变装置ECRH系统的预电离，实现了玄龙50聚变装置的首次放电，实测指标达到输出功率55 kW，连续运行时间30 s。图1为 28 GHz/50 kW回旋管模型和实验装置。
对于28 GHz/50 kW回旋管，其工作模式较低，腔内不存在腔内模式竞争和跳模问题，模式工作稳定性较好。回旋管长时间连续运行的关键问题主要在于整管的热稳定设计、阴极工作的稳定性和寿命、输出窗的功率容量以及整管的制造工艺方面。最近，研究团队在原28 GHz/50kW回旋管设计基础上进行了升级改造，进行了不同阴极材料的试验和制备工艺改进，验证和提高了阴极发射的稳定性；开展了不同材料输出窗功率容量的验证性实验；对整管进行了工艺结构优化和冷却结构优化，进一步提升了管体长时间运行的热稳定性。
该回旋管采用了双阳极电子枪结构，阴极电压-40kV，束流3A；采用单级降压收集极，降压幅度~10kV；谐振腔工作模式为圆对称TE02模式，采用内置准光模式变换器实现波束横向输出，输出窗采用了氮化硼（BN）介质片，窗片直径100mm，厚度为2.42mm。该回旋管输出窗后端配置了MOU，实现波束对直径90mm波束波导的接口匹配，经MOU调整后的束腰半径为28.8mm。回旋管的磁体采用了国产无氦超导磁场系统，工作磁场大小为1.05T，超导室温孔径140mm。
最近，中国工程物理研究院应用电子学研究所研回旋管研究团队通过对回旋管结构优化和稳定性设计验证，在输出功率32 kW实现连续稳定工作了400 min，国内首次研制出小时级连续工作的中等功率回旋管。回旋管在全功率50kW状态下演示运行了300s，在调整低功率点下进行了更长时间的运行实验，运行的工作时间达到几十分钟，最长在32kW下工作了400min。图2(a)和图2(b)分别为输出功率46kW、运行时间1800s和输出功率32kW、运行时间9000s时的记录波形；图2(c)为在输出功率32kW，连续运行24000s时水负载测量得到的实时功率曲线。结果显示，该回旋管在长时间运行时阴极发射电流和输出波束的功率均非常稳定。
未来展望
本次28 GHz/50 kW回旋管的实验成功，标志着国内首次研制出小时级可连续运行50 kW中等功率回旋管。该类型回旋管的研制成功对于国内磁约束聚变装置ECRH系统、ECR离子源等大型装置所用回旋管摆脱依赖国外产品，实现关键核心器件的国产化具有积极意义。同时，28 GHz/50 kW连续回旋管也可为等离子物理研究、微波熔炼等前沿科研探索及系统研制提供稳定的信号源。
作者简介
第一作者: 胡林林, hulinlin2016@163.com。
通信作者: 马国武, huter_ma@126.com。
