专利名称：一种波导内微波击穿保护方法
技术领域：
本发明涉及波导高功率微波运行时微波击穿的保护技术。
背景技术：
目前国内许多大功率的微波系统，比如雷达系统、HT-7、HL-2A托卡马克装置等离子体低混杂波加热系统。一般采用将光敏器件直接安装在波导壁上，通过波导壁上的小孔来检测速调管放大器输出窗或者波导内微波窗等器件周围的拉弧打火击穿。但是这样做有时候由于存在长线传输信号的影响，很容易受到外界强电磁脉冲的干扰；而且，这种方法当波导内存在强烈的背景杂光而不是微波击穿时的打火光时，很容易发出错误指令导致误判断。并且，有时候在高真空环境下安装这种光敏器件在使用和维护上都存在很大的困难；或者在有核辐射和微波辐射环境下，维护这种器件容易使人受到辐射危害；同时不能很好的将微波系统的地线和检测系统的地线明显的隔离起来，从而使检测系统的可靠性存在一定的隐患。
发明内容
本发明所要解决的技术课题是实现在高功率微波运行时和强电磁干扰环境、有核辐射环境以及高真空环境共同作用下，准确检测到波导射频击穿打火的信号，并且在20us以内迅速关断微波开关，切断微波输出，从而有效保护整个微波系统和各种微波器件。
本发明提出一种波导内微波击穿保护方法，可以在高功率微波和强电磁干扰、有核辐射或者高真空的环境下，以及在有强烈的背景杂光的情况下，准确地检测到波导内射频击穿打火的信号，然后经过电路处理以后，可以在20us以内关断微波开关，切断微波输出，从而有效的保护整个微波系统和微波器件不受损害。
本发明的技术方案如下一种波导内微波击穿保护方法，其特征在于波导壁上开一个小孔，然后在小孔周围焊接一个密闭的不锈钢圆管，不锈钢圆管内有石英玻璃视窗和可阀管密封组件，在玻璃视窗的外侧设置一个消色差和球差的聚焦透镜组，从波导壁小孔中发出的击穿打火光经过石英玻璃视窗到达聚焦透镜组聚焦到光纤导光缆端面上，由光纤导光缆将光信号传输到远离辐射的环境下，再进行光电转换，并转换成脉冲信号经过光隔离驱动去关断微波开关。
所述的方法采用光纤导光缆将光信号传输到远离辐射的环境下，经过光电三极管转换为电流信号，然后经过电流-电压变换电路变为电压信号，再经过滤波放大以后，经过比较器产生触发脉冲，最后经过脉冲展宽为一定时间宽度的脉冲，经过光隔离驱动去关断微波开关一段时间。
所述的小孔为位于波导宽边中央沿着波导传输方向的“1”字型槽孔。
一种波导内微波击穿保护方法，其特征在于所述的不锈钢圆管与波导壁是倾斜的，正对被保护的微波器件。
所述的导光缆是通光截面直径为大于0.8mm而小于1.5mm的光纤导光缆。
关断微波开关的时间是可以在10ms-500ms范围内任意调节其时间宽度的。
由于直接在波导壁上安装光敏器件存在一系列的缺点。本发明采用了聚光透镜组和光纤导光缆来传送大功率微波击穿打火时的光信号，然后在远离辐射的环境下，用硅光电三极管进行光电转换检测。通过电路信号处理发出保护信号，去关断微波开关一段时间，切断微波输出。
发明效果在2006年秋季EAST超导托卡马克装置首轮放电实验中，在高功率低混杂波系统中本发明方法得到了验证。在注入高功率的2.45GHz的微波时，同时存在强烈的等离子体背景光辐射的情况下，通过透镜组和光纤导光缆准确探测到了真空室内波导段陶瓷窗附近的真空击穿打火。并且迅速关断了微波开关，切断了微波输出，从而有效地保护了陶瓷窗和系统的安全。同时，把经过转换的电压信号送入计算机，计算机显示的入射和反射功率信号，以及打火信号很好的吻合，打火一般发生在连续的高反射情况下，并且打火后迅速关断了微波开关，切断了微波的输出，证明了保护的准确有效。没有受到强烈等离子体背景光的干扰。
本发明运用聚光透镜组和光纤导光缆来传送击穿打火的光信号，从而可以在远离核辐射的地方探测波导内击穿打火。同时，由于有辐射的区域内只有透镜组和光纤导光缆等无源器件，导光缆不受辐射和电磁脉冲干扰，信号处理电路放置在没有辐射的区域内，从而方便了整个保护系统的维护。提高了整个系统的可靠性。
本发明的技术可以应用于各种高功率微波系统，比如雷达系统，托卡马克等离子体加热的大功率低混杂波系统，以及各种速调管输出窗的拉弧打火保护系统。可以有效保护整个微波系统和微波器件的安全。同样可以应用于各种科学实验研究。
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的光信号处理流程图。
图3是本发明的计算机显示的信号图。
具体实施例方式
微波陶瓷窗8起着隔离真空和大气的作用，为了增大透光量，本发明在陶瓷窗的真空侧波导壁1宽边中央上沿着波导传输方向开一个‘1’字型的槽孔，所开孔的大小经过计算不影响大功率微波的传输。又能保证在击穿打火时有足够的光通量透过小孔。在小孔外的波导壁1上，焊接一段不锈钢圆管7，圆管7内插入可阀管5与石英玻璃片2密封组件，可阀管5与不锈钢管后端用高温氩弧焊接密封。这样就保证了微波系统波导的高真空环境。不锈钢圆管7的外面加工上一个法兰，便于探头的固定。结构如附图1所示。
在可阀管的外侧安装有探头，探头包括一个圆管，圆管后端也有一个法兰，圆管端部固定有一个消色差和球差的聚光透镜组3，聚光透镜组3的焦点处有光纤导光缆4，光纤导光缆4端面经过精确对准焦距以后，密封固定在圆管中央，保证光纤导光缆和透镜组的相对距离不会受到外面的影响。然后将探头伸进可阀管5内，并通过相互之间的法兰固定。这样，波导管内击穿打火后，发出明亮的弧光。透过小孔和石英玻璃以后，通过探头上的透镜组耦合到光纤导光缆内。所用导光缆是通光截面直径为大于0.8mm而小于1.5mm的光纤导光缆，然后经过导光缆传送到远离辐射的环境下，再进行光电转换和信号处理。同时，为了自己检测后面整个电路的稳定性和状态，从光纤导光缆中分出一少部分光纤丝6作为自检测的光输入口。
当自己检测后续光缆和电路的稳定性和状态时，只需要在光纤丝6外面用一束光照射即可得知后面光纤导光缆和电路的运行状态。这样便实现了自检测功能。
另外，作为本发明的一个改进，将不锈钢圆管7和波导壁放置成一个倾斜的角度，使不锈钢圆管7正对被保护的微波陶瓷窗8。这样，当真空波导右边存在强烈的背景杂光时，仅有很少的能量通过小孔和透镜组3而进入导光缆。而微波陶瓷窗8附近击穿打火以后，进入到导光缆的光能量很大。这样做大大减小了背景杂光对判断的干扰。提高了保护的准确性。
光电转换器件采用了硅光敏三极管，它的上升时间4us，可以保证在系统击穿时20us以内发出保护信号。光敏三极管产生的是一个电流信号。经过光缆传过来的光经过光电三极管转换为电流信号，然后经过电流-电压变换电路变为电压信号。再经过滤波放大以后，经过比较器产生触发脉冲，最后经过脉冲展宽为一定时间宽度的脉冲，经过光隔离驱动去关断微波开关一段时间。这个关断时间是可以在10ms-500ms范围内任意调节其时间宽度的。同时，检测的灵敏度可以通过调节比较器的阈值电平来改变，经过测试，整个系统的响应时间可以保证在20us以内，并且有很高的抗干扰性。运算放大器采用了低噪声双运放，展宽定时采用了集成定时器。为了验证保护是正确的，本发明把放大后的电压信号送入计算机显示，以便和微波入射、反射功率相比较，确认是真正的击穿打火。
权利要求
1.一种波导内微波击穿保护方法，其特征在于波导壁上开一个小孔，然后在小孔周围焊接一个密闭的不锈钢圆管，不锈钢圆管内有石英玻璃视窗和可阀管密封组件，在玻璃视窗的外侧设置一个消色差和球差的聚焦透镜组，从波导壁小孔中发出的击穿打火光经过石英玻璃视窗到达聚焦透镜组聚焦到光纤导光缆端面上，由光纤导光缆将光信号传输到远离辐射的环境下，再进行光电转换，并转换成脉冲信号经过光隔离驱动去关断微波开关。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的方法采用光纤导光缆将光信号传输到远离辐射的环境下，经过光电三极管转换为电流信号，然后经过电流-电压变换电路变为电压信号，再经过滤波放大以后，经过比较器产生触发脉冲，最后经过脉冲展宽为一定时间宽度的脉冲，经过光隔离驱动去关断微波开关一段时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的小孔为位于波导宽边中央沿着波导传输方向的“1”字型槽孔。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的不锈钢圆管与波导壁是倾斜的，正对被保护的微波器件。
5.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于所述的导光缆是通光截面直径为大于0.8mm而小于1.5mm的光纤导光缆。
6.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于关断微波开关的时间是可以在10ms-500ms范围内任意调节其时间宽度的。
全文摘要
本发明公开了一种波导内微波击穿保护方法，其特征在于所述的波导壁上开一个小孔，然后在小孔周围焊接一个密闭的不锈钢圆管，不锈钢圆管内有石英玻璃视窗和可阀管密封组件，在玻璃视窗的外侧设置一个聚焦透镜组，从波导小孔中发出的击穿打火光经过石英玻璃视窗到达聚焦透镜组聚焦到光纤导光缆端面上，由光纤导光缆将光信号传输到远离辐射的环境下，再进行光电转换，并转换成脉冲信号经过光隔离驱动去关断微波开关。本发明运用聚光镜组和光纤导光缆来传送击穿打火的光信号，从而可以在远离核辐射和微波辐射的地方探测波导内击穿打火。同时，由于有辐射的区域内只有透镜组和光纤导光缆等无源器件，导光缆不受辐射和电磁脉冲干扰，信号处理电路放置在没有辐射的区域内，从而方便了整个保护系统地维护。提高了整个系统的可靠性。
文档编号H01P1/10GK1945650SQ20061009690
公开日2007年4月11日 申请日期2006年10月18日 优先权日2006年10月18日
发明者贾华, 刘甫坤 申请人:中国科学院等离子体物理研究所