一种基于电子回旋辐射计的磁场螺旋角分布测量系统技术方案

本发明专利技术属于托卡马克技术领域，具体涉及一种基于电子回旋辐射计的磁场螺旋角分布测量系统。本发明专利技术包括极化器、伺服电机、微波天线、带阻滤波器、高通滤波器、低噪射频放大器、定向耦合器、射频混频器、定向耦合器、耿氏振荡器、带通滤波器、中频放大器、功分器、中频带通滤波器、中频放大器、中频混频器、中频耿氏振荡器、可调衰减器、带通滤波器、检波器、低通滤波器、视频放大器、数据采集器。本发明专利技术通过可控极化器改变接受到的ECE的强度，通过寻找强度最大值处极化器的角度来获取磁场螺旋角的时空分布。布。布。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电子回旋辐射计的磁场螺旋角分布测量系统


[0001]本专利技术属于托卡马克
，具体涉及一种基于电子回旋辐射计的磁场螺旋角分布测量系统。

技术介绍

[0002]在托卡马克等离子体中，环向磁场和电流产生的极向磁场叠加的总磁场相对于赤道面有一定的螺旋角，而螺旋角的大小直接决定了安全因子q的分布，对于等离子体平衡、等离子体控制、破裂预测、磁流体不稳定性、微观湍流不稳定性、高能粒子等研究至关重要。近年来，为了实现等离子体高约束运行模式，提出了许多先进托卡马克运行方案，要求等离子体磁剪切s成弱剪切甚至负剪切等。这些先进的运行模式都离不开对磁场螺旋角的准确测量。
[0003]目前世界上磁场螺旋角分布诊断主要有运动史塔克效应(MSE)诊断和法拉第旋转效应诊断，这两种方法通过测量谱线展宽和旋转角大小获取磁场螺旋角信息。运动史塔克偏振诊断是一种依赖于中性束注入的主动诊断方法，通过测量中性束粒子某系光谱的偏振方向得到磁场的方向。由于MSE谱线非常复杂，在低磁场下谱分辨率能力很差，各种展宽机制导致谱线重叠，束能量不稳定导致信噪比下降，因此MSE偏振诊断是一种国际公认的难度很大的诊断。法拉第旋转效应一般采用极化干涉仪系统测量，由于入射波矢k频率比托卡马克等离子体中特征吸收、反射频率高很多，以及磁化等离子体中左旋圆偏光和右旋圆偏光的速度不一样，极向磁场在波矢k平行方向的分量会使得波矢k的偏振方向发生偏转，偏转角度与路径的电子密度以及极向磁场平行分量相关。由于法拉第偏转角是弦积分的结果，需要引入电子密度和磁场的分布，因此会引入较大的误差。这两种磁场螺旋角诊断的系统都较为复杂，体积较大，造价昂贵，维护困难。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的技术问题，针对运动史塔克偏振仪和极化干涉诊断系统复杂、体积庞大、造价昂贵、维护困难，提出一种基于电子回旋辐射计的磁场螺旋角分布测量系统，通过可控极化器改变接受到的ECE的强度，通过寻找强度最大值处极化器的角度来获取磁场螺旋角的时空分布。
[0005]本专利技术采用的技术方案：
[0006]一种基于电子回旋辐射计的磁场螺旋角分布测量系统，包括极化器、伺服电机、微波天线、带阻滤波器、高通滤波器、低噪射频放大器、定向耦合器、射频混频器、定向耦合器、耿氏振荡器、带通滤波器、中频放大器、功分器、中频带通滤波器、中频放大器、中频混频器、中频耿氏振荡器、可调衰减器、带通滤波器、检波器、低通滤波器、视频放大器、数据采集器，所述极化器与伺服电机连接，所述伺服电机与数据采集器连接，所述极化器正对着等离子体，所述微波天线放置于极化器的正后方，接收从等离子体通过极化器的信号，所述微波天线后端接入带阻滤波器将电子回旋加热的频带滤掉，所述带阻滤波器后端接入高通滤波
器，将ECE射频的镜频信号滤掉，低频衰减大于30dB，所述高通滤波器后端接入低噪射频放大器提高信号的信噪比，通过低噪射频放大器的信号接入定向耦合器，防止反射的驻波破坏低噪放大器；微波信号通过定向耦合器输入到射频混频器的射频端，射频混频器的本振端依次接入定向耦合器和耿氏振荡器；通过射频混频器的射频和本振信号混频产生中频信号接入带通滤波器，滤掉工作频带以外的杂散信号，中频信号经过滤波后通入中频放大器后再通入功分器，将中频信号送入中频通道，宽带的中频信号通过中频的带通滤波器将宽带中频信号滤波到工作的中频频带，经过中频带通滤波器的窄带中频信号接入中频放大器，提高中频信号的信噪比，再通入中频混频器，中频混频器的本振端接入对应工作频率的中频耿氏振荡器，混频产生的二级中频信号接入可调衰减器以调控信号的强弱，二级中频信号通入带通滤波器以调配ECE系统对信号扰动的测量能力，以及过滤掉低频的干扰信号，最终信号进入检波器以测量信号的强度，检波信号接入低通滤波器，过滤掉高频的干扰信号，低通滤波信号接入视频放大器，增大信号幅度最终接入数据采集器。
[0007]所述极化器初始极化方向放置在垂直极化方向。
[0008]所述伺服电机的旋转周期为10毫秒匀速转动并将控制信号接入数据采集器，通过控制信号实时了解到极化器的极化方向。
[0009]所述带阻滤波器的带阻应当大于60dB，使得进入低噪射频放大器的微波信号强度弱于
‑
10dB。
[0010]所述低噪射频放大器的噪声系数要低于5dB，放大增益大于20dB。
[0011]将中频工作频带外的信号抑制30dB以上。
[0012]选择30MHz到300MHz的带通频带，使得ECE测量磁场螺旋角分布的空间分辨率达到1到2厘米。
[0013]选择300kHz的低通滤波器。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0015](1)本专利技术提供的一种基于电子回旋辐射计的磁场螺旋角分布测量系统，利用托卡马克等离子体中2次X模强度远大于2次O模的特点，采用可控的极化器测量不同极化角度的ECE辐射强度，通过最大信号对应的偏转角度的一半得到磁场螺旋角。
[0016](2)本专利技术提供的一种基于电子回旋辐射计的磁场螺旋角分布测量系统，在托卡马克放电实验中，随着伺服电机带动极化器转动，ECE信号会呈现正弦周期变化，通过记录最后最强处对于的极化角度可以计算磁力线螺旋角。
[0017](3)本专利技术提供的一种基于电子回旋辐射计的磁场螺旋角分布测量系统，不受中性束注入等外在条件的限制，可以不受限地获取托卡马克等离子体中磁场螺旋角的分布，时间分辨率取决于伺服电机的转速，可以达到10微秒以内，该诊断系统可以通过ECE诊断系统改造得到，成本低，是一种很有应用前景的磁场螺旋角分布诊断的手段。
[0018](4)本专利技术提供的一种基于电子回旋辐射计的磁场螺旋角分布测量系统，结构简单、体积小、造价低、方便维护，同时还具有高时空分布能力，不依赖中性束注入等外在条件，可以提供托卡马克等离子体中磁场螺旋角分布的实时测量。
附图说明
[0019]图1为本专利技术提供的一种基于电子回旋辐射计的磁场螺旋角分布测量系统结构示
意图；
[0020]图2为取得最大信号示意图；
[0021]图3为磁场螺旋角分布测量结果示意图；
[0022]图中：1
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极化器、2
‑
伺服电机、3
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微波天线、4
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带阻滤波器、5
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高通滤波器、6
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低噪射频放大器、7
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定向耦合器、8
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射频混频器、9
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定向耦合器、10
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耿氏振荡器、11
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带通滤波器、12
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中频放大器、13
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功分器、14
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中频带通滤波器、15
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中频放大器、16
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中频混频器、17
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中频耿氏振荡器、18
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可调衰减器、19
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带通滤波器、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电子回旋辐射计的磁场螺旋角分布测量系统，其特征在于，包括极化器(1)、伺服电机(2)、微波天线(3)、带阻滤波器(4)、高通滤波器(5)、低噪射频放大器(6)、定向耦合器(7)、射频混频器(8)、定向耦合器(9)、耿氏振荡器(10)、带通滤波器(11)、中频放大器(12)、功分器(13)、中频带通滤波器(14)、中频放大器(15)、中频混频器(16)、中频耿氏振荡器(17)、可调衰减器(18)、带通滤波器(19)、检波器(20)、低通滤波器(21)、视频放大器(22)、数据采集器(23)，所述极化器(1)与伺服电机(2)连接，所述伺服电机(2)与数据采集器(23)连接，所述极化器(1)正对着等离子体(24)，所述微波天线(3)放置于极化器(1)的正后方，接收从等离子体(24)通过极化器(1)的信号，所述微波天线(3)后端接入带阻滤波器(4)将电子回旋加热的频带滤掉，所述带阻滤波器(4)后端接入高通滤波器(5)，将ECE射频的镜频信号滤掉，低频衰减大于30dB，所述高通滤波器(5)后端接入低噪射频放大器(6)提高信号的信噪比，通过低噪射频放大器(6)的信号接入定向耦合器(7)，防止反射的驻波破坏低噪放大器(6)；微波信号通过定向耦合器(7)输入到射频混频器(8)的射频端，射频混频器(8)的本振端依次接入定向耦合器(9)和耿氏振荡器(10)；通过射频混频器(8)的射频和本振信号混频产生中频信号接入带通滤波器(11)，滤掉工作频带以外的杂散信号，中频信号经过滤波后通入中频放大器(12)后再通入功分器(13)，将中频信号送入中频通道，宽带的中频信号通过中频的带通滤波器(14)将宽带中频信号滤波到工作的中频频带，经过中频带通滤波器(14)的窄带中频信号接入中频放大器(15)，提高中频信号的信噪比，再通入中频...

【专利技术属性】
技术研发人员：余鑫，石中兵，陈伟，蒋敏，张晓然，
申请(专利权)人：核工业西南物理研究院，
类型：发明
国别省市：