一种测量等离子体电流分布的极化ece诊断系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于一种核聚变等离子体诊断领域，具体涉及一种测量等离子体电流分布和安全因子分布的极化电子回旋辐射(ECE)诊断系统，它具有时间和空间分辨率高、成本低、定域性好等优点。
【背景技术】
[0002]托卡马克等离子体的极向磁场是由等离子体电流产生，极向磁场或安全因子q =rBo/RB0的分布是等离子体约束研究的一个非常重要的参数，对分析等离子体输运、磁岛的形成、磁流体不稳定性、锯齿崩塌以及等离子径向电场分布等都具有重要的意义。近年来，为实现等离子体高约束的稳态运行，提出了多种先进托卡马克运行方案，比如使等离子体中心电流产生反剪切分布，即对应的等离子体电流呈中空的分布；另一种常用方法是磁场弱剪切，即芯部磁场位形出现较为平缓的分布，其安全因子的值保持在I附近或大小I。这些运行方案都对等离子体电流控制提出了更为严格的要求。
[0003]等离子体电流控制需要准确测量等离子体的电流分布或q分布。目前有3种方法来测量电流分布，它们分别是内部磁位形重建(EFIT)、远红外极化干涉测量法拉第旋转和动态斯塔克效应(MSE)诊断。EFIT采用外部磁测量信息，再利用等离子体的内部磁测量数据重建等离子体的电流密度分布，但是这种方法完全依赖于外部磁探针信号，对等离子体特别是芯部的重建，误差较大。法拉第旋转和动态斯塔克效应(MSE)方法用于测量极向磁场分布的螺距角，然后通过积分反演等得等离子体电流分布和安全因子q分布。法拉第旋转效应一般采用远红外极化干涉仪系统测量，它的基本原理是基于电磁波的磁光效应，当一束线偏振波通过具有磁场为B的等离子体内部时，若波的角频率ω比等离子体频率和电子回旋频率ω ce都大很多，且波矢k平行于等离子体中的磁场方向时，则等离子体就与无吸收的旋光介质相类似，它会使在其中传播的电磁波的偏振面发生旋转，这就是著名的法拉第旋转效应。若已知电子密度和波的旋转角度，就可以求出沿测量弦的磁场，测量不同位置弦上的弦积分磁场，就可获得磁场强度在径向的分布。但由于该方法测量的是磁场的积分量，即使是知道电子密度的分布，也要假定磁场的分布函数，通过函数反演求得磁场的分布情况，因此会引入较大的误差。动态斯塔克偏振诊断是一种依赖于中性束注入技术而发展起来的主动诊断方法，它通过准确测量发射的Ha光谱的偏振态获得磁场螺距角的信息，是一种定域测量。但是由各种因素引起的谱线展宽远大于谱线的斯塔克分裂，导致不同分量之间严重交叠，特别是在低磁场条件下难以获得单一谱线分量。此外，在偏振光的传播过程中会由于镜面反射和窗口玻璃等因素引入额外的法拉第旋转而改变光线的偏振状态，对测量造成各种不确定性。另外，MSE还依赖于中性束注入条件才能测量。基于以上种种原因，MSE偏振诊断一直是国际上公认的难度最大但也是最重要的诊断之一。远红外极化干涉仪和动态斯塔克偏振诊断的系统都比较复杂，系统体积较大，价格贵，维护困难。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种测量等离子体电流分布的极化ECE诊断系统，它能够解决等离子体电流分布测量系统如动态斯塔克效应和远红外极化干涉诊断系统复杂、系统体积庞大、价格贵、维护困难等问题。
[0005]本发明是这样实现的，一种测量等离子体电流分布的极化ECE诊断系统，它包括微波扫频源、扫频信号发生器、扫频波功分器、隔离器、微波功分器、微波倍频器、微波混频器、微波隔离器、带阻滤波器、正45度接收天线系统、负45度接收天线系统、等离子体、第一组中频放大器、带通滤波器、第二组中频放大器、检波系统、视频放大系统、数据采集和分析系统，所述的扫频信号发生器输出端与扫频波功分器的输入端连接，扫频波功分器的一个输出端与微波扫频源的波形控制端连接，扫频波功分器的另一个输出端与数据采集和分析系统的信号输入端连接，微波扫频源的微波输出源与隔离器的输入端连接，隔离器的输出端与微波功分器的输入端连接，微波功分器的输出端分别与两个不同的微波倍频器的输入端连接，微波倍频器的输出端与分别与两个微波混频器的本振输入端连接，正45度接收天线系统和负45度接收天线系统分别接收等离子体辐射来的微波信号，它们的输入端分别与两个不同的带阻滤波器的输入端连接。带阻滤波器的输出端分别与两个微波隔离器的输入端连接，微波隔离器的输出端分别与两个微波混频器的射频输入端连接，微波混频器的中频输出端分别与第一组中频放大器的输入端连接，第一组中频放大器的输出端分别与带通滤波器的输入端连接，带通滤波器的输出端分别与第二组中频放大器的输入端连接，第二组中频放大器的输出端分别与检波系统的输入端连接，检波系统输出端分别与视频放大系统的输入端连接，视频放大系统的输出端分别与数据采集和分析系统的信号输入端连接。
[0006]所述的微波扫频源、扫频信号发生器、扫频波功分器、隔离器、微波功分器和微波倍频器构成微波源系统，用于微波混频器的本振驱动信号，该系统具有连续波和台阶步进扫频功能，整个测量频带的扫频周期在1-lOms。
[0007]所述的微波扫频源是一个宽带的压控微波振荡器或微波合成源，通过外加电压来控制微波输出或者内部自己控制输出步进扫频微波。
[0008]所述的微波隔离器分别用于微波单向传输，防止回路产生寄生反射，隔离度大于20dB。
[0009]所述的微波倍频器是一个带功率驱动的全频带微波频率放大器，其用于将微波扫频源输出的低频微波频率放大到本系统的工作频段，且输出功率能够足够驱动微波混频器。
[0010]所述的微波混频器、微波隔离器、带阻滤波器、正45度接收天线系统和负45度接收天线系统构成两路独立的接收系统，分别从中垂面正负45度接收来自等离子体辐射的电子回旋辐射信号，并在微波混频器中下变频至中频信号。
[0011]所述的正45度微波接收天线系统和负45度微波接收天线分别与托卡马克装置的中垂面成正负45度。
[0012]所述的第一组中频放大器、带通滤波器、第二组中频放大器、检波系统、视频放大系统构成中频信号处理系统，用于将待测中频信号转化成视频信号输出给数据采集和分析系统，带通滤波器选100-800MHZ。
[0013]本发明的优点是，本发明利用电子回旋辐射波X模和O模的基本性质，采用2个天线通道测量不同角度的电子回旋辐射波强度比值，获得磁场分布的螺距角，进而得到电流分布和安全因子分布。系统的测量不受等离子体加热等外在条件影响而被动测量，因此可以进行随时获得电流分布和安全因子分子的数据。另外，当系统采用连续波扫频模式工作时，可以测量到从等离子体芯部到边缘磁场夹角的连续变化，这是其它诊断，如MSE和远红外极化干涉仪所不可能达到的。系统的时间分辨受微波扫频源的扫频速度控制，时间分辨可以做几百微秒以内。系统结构简单，成本低，是一种比较有应用前景的等离子体电流分布和安全因子分布诊断手段。
【附图说明】
[0014]图1是本发明所提供的一种测量等离子体电流分布的极化ECE诊断系统示意图；
[0015]图2为磁场夹角与测量值比值的关系。
[0016]图中:I微波扫频源，2扫频信号发生器，3扫频波功分器，4隔离器，5微波功分器，6微波倍频器，7微波混频器，8微波隔离器，9带阻滤波器，10正45度接收天线系统，11负45度接收天线系统，12等离子体，13第一组中频放大器，14带通滤波器，15第二组中频放大器，16检波系统，17视频放大系统，18数据采集和分析系统。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和实施例对本发明进行详细介绍:
[0018]如图1所示，本发明所提供的一种测量等离子体电流分布和安全因子分布的极化ECE诊断系统示意图。该微波系统包括微波扫频源1、扫频信号发生器2、扫频波功分器3、隔离器4、微波功分器5、微波倍频器6、微波混频器7、微波隔离器8、带阻滤波器9、正45度接收天线系统10、负45度接收天线系统11、等离子体12、第一组中频放大器13、带通滤波器14、第二组中频放大器15、检波系统16、视频放大系统17、数据采集和分析系统18等微波器件或子系统组成。
[0019]扫频信号发生器2输出端与扫频波功分器3的输入端连接，扫频波功分器3的一个输出端与微波扫频源I的波形控制端连接，扫频波功分器3的另一个输出端与数据采集和分析系统18的信号输入端连接，微波扫频源I的微波输出源与隔离器4的输入端连接，隔离器4的输出端与微波功分器5的输入端连接，微波功分器5的输出端分别与两个不同的微波倍频器6的输入端连接，微波倍频器6的输出端与分别与两个微波混频器7的本振输入端连接。
[0020]正45度接收天线系统10和负45度接收天线系统11分别接收等离子体12辐射来的微波信号，它们的输入端分别与两个不同的带阻滤波器9的输入端连接。带阻滤波器9的输出端分别与两个微波隔离器8的输入端连接，微波隔离器8的输出端分别与两个微波混频器7的射频输入端连接。
[0021]微波混频器7的中频输出端分别与第一组中频放大器13的输入端连接，第一组中频放大器13的输出端分别与带通滤波器14的输入端连接，带通滤波器14的输出端分别与第二组中频放大器15的输入端连接，第二组中频放大器15的输出端分别与检波系统16的输入端连接，检波系统16输出端分别与视频放大系统17的输入端连接，视频放大系统17的输出端分别与数据采集和分析系统18的信号输入端连接。
[0022]所述的微波扫频源1、扫频信号发生器2、扫频波功分器3、隔离器4、微波功分器5和微波倍频器6等构成微波源系统，用于微波混频器7的本振驱动信号。该系统要求具有连续波和台阶步进扫频功能，整个测量频带的扫频周期需要在1-1Oms左右。
[0023]所述的微波扫频源I是一个宽带的压控微波振荡器或微波合成源，通过外加电压来控制微波输出或者内部自己控制输