一種測量等離子體電流分布的極化ece診斷系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種核聚變等離子體診斷領(lǐng)域，具體涉及一種測量等離子體電流分布和安全因子分布的極化電子回旋輻射(ECE)診斷系統(tǒng)，它具有時間和空間分辨率高、成本低、定域性好等優(yōu)點。
【背景技術(shù)】
[0002]托卡馬克等離子體的極向磁場是由等離子體電流產(chǎn)生，極向磁場或安全因子q =rBo/RB0的分布是等離子體約束研究的一個非常重要的參數(shù)，對分析等離子體輸運、磁島的形成、磁流體不穩(wěn)定性、鋸齒崩塌以及等離子徑向電場分布等都具有重要的意義。近年來，為實現(xiàn)等離子體高約束的穩(wěn)態(tài)運行，提出了多種先進托卡馬克運行方案，比如使等離子體中心電流產(chǎn)生反剪切分布，即對應的等離子體電流呈中空的分布；另一種常用方法是磁場弱剪切，即芯部磁場位形出現(xiàn)較為平緩的分布，其安全因子的值保持在I附近或大小I。這些運行方案都對等離子體電流控制提出了更為嚴格的要求。
[0003]等離子體電流控制需要準確測量等離子體的電流分布或q分布。目前有3種方法來測量電流分布，它們分別是內(nèi)部磁位形重建(EFIT)、遠紅外極化干涉測量法拉第旋轉(zhuǎn)和動態(tài)斯塔克效應(MSE)診斷。EFIT采用外部磁測量信息，再利用等離子體的內(nèi)部磁測量數(shù)據(jù)重建等離子體的電流密度分布，但是這種方法完全依賴于外部磁探針信號，對等離子體特別是芯部的重建，誤差較大。法拉第旋轉(zhuǎn)和動態(tài)斯塔克效應(MSE)方法用于測量極向磁場分布的螺距角，然后通過積分反演等得等離子體電流分布和安全因子q分布。法拉第旋轉(zhuǎn)效應一般采用遠紅外極化干涉儀系統(tǒng)測量，它的基本原理是基于電磁波的磁光效應，當一束線偏振波通過具有磁場為B的等離子體內(nèi)部時，若波的角頻率ω比等離子體頻率和電子回旋頻率ω ce都大很多，且波矢k平行于等離子體中的磁場方向時，則等離子體就與無吸收的旋光介質(zhì)相類似，它會使在其中傳播的電磁波的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這就是著名的法拉第旋轉(zhuǎn)效應。若已知電子密度和波的旋轉(zhuǎn)角度，就可以求出沿測量弦的磁場，測量不同位置弦上的弦積分磁場，就可獲得磁場強度在徑向的分布。但由于該方法測量的是磁場的積分量，即使是知道電子密度的分布，也要假定磁場的分布函數(shù)，通過函數(shù)反演求得磁場的分布情況，因此會引入較大的誤差。動態(tài)斯塔克偏振診斷是一種依賴于中性束注入技術(shù)而發(fā)展起來的主動診斷方法，它通過準確測量發(fā)射的Ha光譜的偏振態(tài)獲得磁場螺距角的信息，是一種定域測量。但是由各種因素引起的譜線展寬遠大于譜線的斯塔克分裂，導致不同分量之間嚴重交疊，特別是在低磁場條件下難以獲得單一譜線分量。此外，在偏振光的傳播過程中會由于鏡面反射和窗口玻璃等因素引入額外的法拉第旋轉(zhuǎn)而改變光線的偏振狀態(tài)，對測量造成各種不確定性。另外，MSE還依賴于中性束注入條件才能測量?；谝陨戏N種原因，MSE偏振診斷一直是國際上公認的難度最大但也是最重要的診斷之一。遠紅外極化干涉儀和動態(tài)斯塔克偏振診斷的系統(tǒng)都比較復雜，系統(tǒng)體積較大，價格貴，維護困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種測量等離子體電流分布的極化ECE診斷系統(tǒng)，它能夠解決等離子體電流分布測量系統(tǒng)如動態(tài)斯塔克效應和遠紅外極化干涉診斷系統(tǒng)復雜、系統(tǒng)體積龐大、價格貴、維護困難等問題。
[0005]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種測量等離子體電流分布的極化ECE診斷系統(tǒng)，它包括微波掃頻源、掃頻信號發(fā)生器、掃頻波功分器、隔離器、微波功分器、微波倍頻器、微波混頻器、微波隔離器、帶阻濾波器、正45度接收天線系統(tǒng)、負45度接收天線系統(tǒng)、等離子體、第一組中頻放大器、帶通濾波器、第二組中頻放大器、檢波系統(tǒng)、視頻放大系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，所述的掃頻信號發(fā)生器輸出端與掃頻波功分器的輸入端連接，掃頻波功分器的一個輸出端與微波掃頻源的波形控制端連接，掃頻波功分器的另一個輸出端與數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)的信號輸入端連接，微波掃頻源的微波輸出源與隔離器的輸入端連接，隔離器的輸出端與微波功分器的輸入端連接，微波功分器的輸出端分別與兩個不同的微波倍頻器的輸入端連接，微波倍頻器的輸出端與分別與兩個微波混頻器的本振輸入端連接，正45度接收天線系統(tǒng)和負45度接收天線系統(tǒng)分別接收等離子體輻射來的微波信號，它們的輸入端分別與兩個不同的帶阻濾波器的輸入端連接。帶阻濾波器的輸出端分別與兩個微波隔離器的輸入端連接，微波隔離器的輸出端分別與兩個微波混頻器的射頻輸入端連接，微波混頻器的中頻輸出端分別與第一組中頻放大器的輸入端連接，第一組中頻放大器的輸出端分別與帶通濾波器的輸入端連接，帶通濾波器的輸出端分別與第二組中頻放大器的輸入端連接，第二組中頻放大器的輸出端分別與檢波系統(tǒng)的輸入端連接，檢波系統(tǒng)輸出端分別與視頻放大系統(tǒng)的輸入端連接，視頻放大系統(tǒng)的輸出端分別與數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)的信號輸入端連接。
[0006]所述的微波掃頻源、掃頻信號發(fā)生器、掃頻波功分器、隔離器、微波功分器和微波倍頻器構(gòu)成微波源系統(tǒng)，用于微波混頻器的本振驅(qū)動信號，該系統(tǒng)具有連續(xù)波和臺階步進掃頻功能，整個測量頻帶的掃頻周期在1-lOms。
[0007]所述的微波掃頻源是一個寬帶的壓控微波振蕩器或微波合成源，通過外加電壓來控制微波輸出或者內(nèi)部自己控制輸出步進掃頻微波。
[0008]所述的微波隔離器分別用于微波單向傳輸，防止回路產(chǎn)生寄生反射，隔離度大于20dB。
[0009]所述的微波倍頻器是一個帶功率驅(qū)動的全頻帶微波頻率放大器，其用于將微波掃頻源輸出的低頻微波頻率放大到本系統(tǒng)的工作頻段，且輸出功率能夠足夠驅(qū)動微波混頻器。
[0010]所述的微波混頻器、微波隔離器、帶阻濾波器、正45度接收天線系統(tǒng)和負45度接收天線系統(tǒng)構(gòu)成兩路獨立的接收系統(tǒng)，分別從中垂面正負45度接收來自等離子體輻射的電子回旋輻射信號，并在微波混頻器中下變頻至中頻信號。
[0011]所述的正45度微波接收天線系統(tǒng)和負45度微波接收天線分別與托卡馬克裝置的中垂面成正負45度。
[0012]所述的第一組中頻放大器、帶通濾波器、第二組中頻放大器、檢波系統(tǒng)、視頻放大系統(tǒng)構(gòu)成中頻信號處理系統(tǒng)，用于將待測中頻信號轉(zhuǎn)化成視頻信號輸出給數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，帶通濾波器選100-800MHZ。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點是，本發(fā)明利用電子回旋輻射波X模和O模的基本性質(zhì)，采用2個天線通道測量不同角度的電子回旋輻射波強度比值，獲得磁場分布的螺距角，進而得到電流分布和安全因子分布。系統(tǒng)的測量不受等離子體加熱等外在條件影響而被動測量，因此可以進行隨時獲得電流分布和安全因子分子的數(shù)據(jù)。另外，當系統(tǒng)采用連續(xù)波掃頻模式工作時，可以測量到從等離子體芯部到邊緣磁場夾角的連續(xù)變化，這是其它診斷，如MSE和遠紅外極化干涉儀所不可能達到的。系統(tǒng)的時間分辨受微波掃頻源的掃頻速度控制，時間分辨可以做幾百微秒以內(nèi)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，是一種比較有應用前景的等離子體電流分布和安全因子分布診斷手段。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明所提供的一種測量等離子體電流分布的極化ECE診斷系統(tǒng)示意圖；
[0015]圖2為磁場夾角與測量值比值的關(guān)系。
[0016]圖中:I微波掃頻源，2掃頻信號發(fā)生器，3掃頻波功分器，4隔離器，5微波功分器，6微波倍頻器，7微波混頻器，8微波隔離器，9帶阻濾波器，10正45度接收天線系統(tǒng)，11負45度接收天線系統(tǒng)，12等離子體，13第一組中頻放大器，14帶通濾波器，15第二組中頻放大器，16檢波系統(tǒng)，17視頻放大系統(tǒng)，18數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細介紹:
[0018]如圖1所示，本發(fā)明所提供的一種測量等離子體電流分布和安全因子分布的極化ECE診斷系統(tǒng)示意圖。該微波系統(tǒng)包括微波掃頻源1、掃頻信號發(fā)生器2、掃頻波功分器3、隔離器4、微波功分器5、微波倍頻器6、微波混頻器7、微波隔離器8、帶阻濾波器9、正45度接收天線系統(tǒng)10、負45度接收天線系統(tǒng)11、等離子體12、第一組中頻放大器13、帶通濾波器14、第二組中頻放大器15、檢波系統(tǒng)16、視頻放大系統(tǒng)17、數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)18等微波器件或子系統(tǒng)組成。
[0019]掃頻信號發(fā)生器2輸出端與掃頻波功分器3的輸入端連接，掃頻波功分器3的一個輸出端與微波掃頻源I的波形控制端連接，掃頻波功分器3的另一個輸出端與數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)18的信號輸入端連接，微波掃頻源I的微波輸出源與隔離器4的輸入端連接，隔離器4的輸出端與微波功分器5的輸入端連接，微波功分器5的輸出端分別與兩個不同的微波倍頻器6的輸入端連接，微波倍頻器6的輸出端與分別與兩個微波混頻器7的本振輸入端連接。
[0020]正45度接收天線系統(tǒng)10和負45度接收天線系統(tǒng)11分別接收等離子體12輻射來的微波信號，它們的輸入端分別與兩個不同的帶阻濾波器9的輸入端連接。帶阻濾波器9的輸出端分別與兩個微波隔離器8的輸入端連接，微波隔離器8的輸出端分別與兩個微波混頻器7的射頻輸入端連接。
[0021]微波混頻器7的中頻輸出端分別與第一組中頻放大器13的輸入端連接，第一組中頻放大器13的輸出端分別與帶通濾波器14的輸入端連接，帶通濾波器14的輸出端分別與第二組中頻放大器15的輸入端連接，第二組中頻放大器15的輸出端分別與檢波系統(tǒng)16的輸入端連接，檢波系統(tǒng)16輸出端分別與視頻放大系統(tǒng)17的輸入端連接，視頻放大系統(tǒng)17的輸出端分別與數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)18的信號輸入端連接。
[0022]所述的微波掃頻源1、掃頻信號發(fā)生器2、掃頻波功分器3、隔離器4、微波功分器5和微波倍頻器6等構(gòu)成微波源系統(tǒng)，用于微波混頻器7的本振驅(qū)動信號。該系統(tǒng)要求具有連續(xù)波和臺階步進掃頻功能，整個測量頻帶的掃頻周期需要在1-1Oms左右。
[0023]所述的微波掃頻源I是一個寬帶的壓控微波振蕩器或微波合成源，通過外加電壓來控制微波輸出或者內(nèi)部自己控制輸