出步進(jìn)掃頻微波。為了提高系統(tǒng)的時(shí)間分辨率，需要頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間好于微秒級(jí)。
[0024]所述的微波隔離器4和8分別用于微波單向傳輸，防止回路產(chǎn)生寄生反射，進(jìn)而影響系統(tǒng)的測(cè)量精度和部分微波器件安全，因此要求隔離度要大于20dB。
[0025]所述的微波倍頻器6是一個(gè)帶功率驅(qū)動(dòng)的全頻帶微波頻率放大器，其用于將微波掃頻源I輸出的低頻微波頻率放大到本系統(tǒng)的工作頻段，且輸出功率需要足夠驅(qū)動(dòng)微波混頻器7。
[0026]所述的微波混頻器7、微波隔離器8、帶阻濾波器9、正45度接收天線(xiàn)系統(tǒng)10和負(fù)45度接收天線(xiàn)系統(tǒng)11構(gòu)成兩路獨(dú)立的接收系統(tǒng)，分別從中垂面正負(fù)45度來(lái)接收從等離子體輻射來(lái)的電子回旋輻射信號(hào)，并在微波混頻器7中下變頻至中頻信號(hào)。
[0027]所述的正45度微波接收天線(xiàn)系統(tǒng)10和負(fù)45度微波接收天線(xiàn)11分別與托卡馬克裝置的中垂面成正負(fù)45度。這種角度布局使系統(tǒng)的測(cè)量最簡(jiǎn)單，但也可以采用其它夾角。另外還可以采用單個(gè)天線(xiàn)，使系統(tǒng)沿測(cè)量方向旋轉(zhuǎn)，找到測(cè)量值最大時(shí)天線(xiàn)的角度，即為磁場(chǎng)的螺距角。
[0028]所述的帶阻濾波器9用于在高功率電子回旋共振輔助加熱實(shí)驗(yàn)中，吸收電子回旋共振波，防止因等離子體吸收不好，而造成微波系統(tǒng)損壞，特別是微波混頻器7和微波倍頻器6的性能變差或燒毀。
[0029]所述的第一組中頻放大器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構(gòu)成中頻信號(hào)處理系統(tǒng)，用于將待測(cè)中頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成視頻信號(hào)輸出給數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)18。帶通濾波器14由系統(tǒng)的空間分辨和靈敏度決定，通常選100-800MHZ，對(duì)于托卡馬克等離子體測(cè)量，典型空間分辨率大約為2-3cm。
[0030]下面結(jié)合附圖1詳細(xì)描述本發(fā)明所提供的一種測(cè)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)的工作原理:
[0031]微波掃頻源1、掃頻信號(hào)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)成本測(cè)量系統(tǒng)的微波源系統(tǒng)，輸出給微波混頻器7作為本振驅(qū)動(dòng)信號(hào)。系統(tǒng)中利用掃頻信號(hào)發(fā)生器2控制微波掃頻源I輸出連續(xù)或掃頻微波，經(jīng)微波倍頻器6倍頻至系統(tǒng)工作頻率。微波倍頻器6是一個(gè)帶功率驅(qū)動(dòng)的全頻帶微波頻率放大器，其輸出的微波功率大約為13dBm，以驅(qū)動(dòng)微波混頻器7。
[0032]系統(tǒng)的接收天線(xiàn)為兩個(gè)與中垂面成正負(fù)45度的標(biāo)準(zhǔn)增益天線(xiàn)，用于測(cè)量這兩個(gè)方向的信號(hào)差。等離子體的縱場(chǎng)沿水平方向，在沒(méi)有極向磁場(chǎng)時(shí)，這兩個(gè)方向測(cè)量的信號(hào)為X模和O模的混合模式，且測(cè)量值相同。當(dāng)存在極向磁場(chǎng)時(shí)，等離子體的磁場(chǎng)與原來(lái)的縱場(chǎng)存在一個(gè)小的夾角，導(dǎo)致在這兩個(gè)方向的測(cè)量值出現(xiàn)一定的偏移。它們的偏移大小可以推導(dǎo)出磁場(chǎng)的夾角，圖2為計(jì)算的極向磁場(chǎng)夾角與正45度天線(xiàn)測(cè)量值與負(fù)45度天線(xiàn)測(cè)量值之間的比值的關(guān)系。由于等離子體中的極向磁場(chǎng)夾角是由等離子體電流產(chǎn)生的，通過(guò)積分反演可以求出等離子體的電流分布。
[0033]圖2中X軸為正45度天線(xiàn)測(cè)量值與負(fù)45度天線(xiàn)測(cè)量值之間的比值，y軸是為由于離子體電流引起的磁場(chǎng)夾角變化。下面結(jié)合附圖2詳細(xì)描述本發(fā)明系統(tǒng)的誤差分析:
[0034]本系統(tǒng)的測(cè)量誤差主要由系統(tǒng)的對(duì)電子溫度的測(cè)量誤差引起的。通常本系統(tǒng)的電子溫度測(cè)量精度可以達(dá)到1eV左右，而相對(duì)于電子溫度為IkeV的等離子體，在正負(fù)45度測(cè)量時(shí)其引入到比值時(shí)的誤差大約為2%。圖2中比值為1.02時(shí)，磁場(chǎng)夾角大約為0.4度。因此系統(tǒng)對(duì)電子溫度的響應(yīng)誤差將引入大約0.4度的誤差。一般情況下，托卡馬克等離子體的磁場(chǎng)夾角從中心到邊緣大約為0-8度。從圖2中發(fā)現(xiàn)，在8度時(shí)，其比值達(dá)到1.3，因此系統(tǒng)只對(duì)芯部較小磁場(chǎng)夾角的測(cè)量有一定的影響，而在等離子體約束區(qū)和邊緣，測(cè)量精度較高。
[0035]由于系統(tǒng)的測(cè)量空間位置受微波本振源的頻率控制，當(dāng)系統(tǒng)采用連續(xù)波掃頻模式工作時(shí)，可以測(cè)量到從等離子體芯部到邊緣磁場(chǎng)夾角的連續(xù)變化，這是其它診斷，如MSE和極化干涉儀所不可能達(dá)到的。通常極化干涉儀只能測(cè)量空間幾個(gè)點(diǎn)，而MSE的時(shí)間分辨較差，且需要有中性束加熱存在。本發(fā)明提供的診斷系統(tǒng)為被動(dòng)測(cè)量，不依賴(lài)于中性束加熱等外在條件，可以提供等離子體電流分布的實(shí)時(shí)測(cè)量。另外本系統(tǒng)的微波源的掃頻速度可達(dá)到幾百微秒，時(shí)間分辨將遠(yuǎn)好于MSE系統(tǒng)。
[0036]上面結(jié)合附圖和實(shí)施對(duì)本發(fā)明中采用極化ECE系統(tǒng)測(cè)量等離子體電流分布作了詳細(xì)說(shuō)明，同時(shí)也分析本發(fā)明系統(tǒng)的測(cè)量誤差。但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施例子，如其它夾角安裝天線(xiàn)也可以分析出磁場(chǎng)螺距角、等離子體電流分布和安全因子分布，另外采用單個(gè)旋轉(zhuǎn)天線(xiàn)也可以實(shí)現(xiàn)上述測(cè)量，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。本發(fā)明中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容均可以采用現(xiàn)有技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種測(cè)量等離子體電流分布的極化ECE診斷系統(tǒng)，其特征在于:它包括微波掃頻源(I)、掃頻信號(hào)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(xiàn)系統(tǒng)(10)、負(fù)45度接收天線(xiàn)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)，所述的掃頻信號(hào)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(gè)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(gè)輸出端與數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)(18)的信號(hào)輸入端連接，微波掃頻源⑴的微波輸出源與隔離器⑷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(gè)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(gè)微波混頻器(7)的本振輸入端連接，正45度接收天線(xiàn)系統(tǒng)(10)和負(fù)45度接收天線(xiàn)系統(tǒng)(11)分別接收等離子體(12)輻射來(lái)的微波信號(hào)，它們的輸入端分別與兩個(gè)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(gè)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(gè)微波混頻器(7)的射頻輸入端連接，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(hào)輸入端連接。2.如權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量等離子體電流分布的極化ECE診斷系統(tǒng)，其特征在于:所述的微波掃頻源(I)、掃頻信號(hào)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)構(gòu)成微波源系統(tǒng)，用于微波混頻器(7)的本振驅(qū)動(dòng)信號(hào)，該系統(tǒng)具有連續(xù)波和臺(tái)階步進(jìn)掃頻功能，整個(gè)測(cè)量頻帶的掃頻周期在1-lOms。3.如權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量等離子體電流分布的極化ECE診斷系統(tǒng)，其特征在于:所述的微波掃頻源(I)是一個(gè)寬帶的壓控微波振蕩器或微波合成源，通過(guò)外加電壓來(lái)控制微波輸出或者內(nèi)部自己控制輸出步進(jìn)掃頻微波。4.如權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量等離子體電流分布的極化ECE診斷系統(tǒng)，其特征在于:所述的微波隔離器(4)和微波隔離器(8)分別用于微波單向傳輸，防止回路產(chǎn)生寄生反射，隔尚度大于20dB。5.如權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量等離子體電流分布的極化ECE診斷系統(tǒng)，其特征在于:所述的微波倍頻器(6)是一個(gè)帶功率驅(qū)動(dòng)的全頻帶微波頻率放大器，其用于將微波掃頻源(I)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(dòng)微波混頻器(7)。6.如權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量等離子體電流分布的極化ECE診斷系統(tǒng)，其特征在于:所述的微波混頻器(7)、微波隔離器(8)、帶阻濾波器(9)、正45度接收天線(xiàn)系統(tǒng)(10)和負(fù)45度接收天線(xiàn)系統(tǒng)(11)構(gòu)成兩路獨(dú)立的接收系統(tǒng)，分別從中垂面正負(fù)45度來(lái)接收從等離子體輻射來(lái)的電子回旋輻射信號(hào)，并在微波混頻器(7)中下變頻至中頻信號(hào)。7.如權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量等離子體電流分布的極化ECE診斷系統(tǒng)，其特征在于:所述的正45度微波接收天線(xiàn)系統(tǒng)(10)和負(fù)45度微波接收天線(xiàn)(11)分別與托卡馬克的中垂面成正負(fù)45度。8.如權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量等離子體電流分布的極化ECE診斷系統(tǒng)，其特征在于:所述的第一組中頻放大器(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)構(gòu)成中頻信號(hào)處理系統(tǒng)，用于將待測(cè)中頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成視頻信號(hào)輸出給數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)(18)，帶通濾波器(14)選100-800MHZ。
【專(zhuān)利摘要】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(cè)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)。該系統(tǒng)由掃頻源、信號(hào)發(fā)生器、倍頻器、混頻器、隔離器、極化天線(xiàn)系統(tǒng)、中頻系統(tǒng)、檢波系統(tǒng)、視頻放大、數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)等組成。通過(guò)測(cè)量電子回旋輻射的極化分布比值，獲得磁場(chǎng)分布的螺距角、等離子體電流和安全因子q分布。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(gè)天線(xiàn)通道測(cè)量不同角度的電子回旋輻射波強(qiáng)度比值，獲得磁場(chǎng)分布的螺距角，進(jìn)而得到電流分布和安全因子分布。系統(tǒng)的測(cè)量不受等離子體加熱等外在條件影響而被動(dòng)測(cè)量，因此可以進(jìn)行隨時(shí)獲得電流分布和安全因子分子的數(shù)據(jù)。
【IPC分類(lèi)】H05H1/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105101599
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410184349
【發(fā)明人】石中兵
【申請(qǐng)人】核工業(yè)西南物理研究院
【公開(kāi)日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2014年5月4日