用于磁约束聚变装置的微波准光学系统及微波对准方法与流程

本发明涉及磁约束可控核聚变研究领域，具体涉及一种用于磁约束聚变装置的微波准光学系统及微波对准方法。

背景技术：

1、在磁约束可控核聚变研究领域，诊断技术对于获取等离子体的关键物理参数、深入理解等离子体的复杂行为，以及精确控制等离子体的状态具有至关重要的作用。微波诊断技术以其出色的适应性、高度的鲁棒性、非侵入性特征以及优秀的时空分辨能力，成为了核聚变研究中广泛采用的一种诊断手段。

2、在现有的微波诊断技术中，对等离子体湍流进行诊断，需要通过特定的步骤。首先，微波源产生特定频率的微波，然后通过一定的方式，将这些微波从大气环境引入装置内的真空环境。接着，这些入射微波束与等离子体产生相互作用。最后，再通过一定方式接收携带有等离子体信息的出射微波，并从中提取诸如密度涨落，旋转速度，湍流波数等关键信息。值得注意的是，微波束的发射和接收角度，以及它们与磁场的相对角度，都会对接收微波信号的质量产生影响。因此，控制调节微波束的发射和接收角度对等离子体湍流诊断具有重要意义。目前，微波束发射和接收角度的调节方法主要可分为以下三种：

3、第一种，固定式微波角锥天线法。此方法广泛应用于各磁约束聚变装置，其中微波角锥天线被安装在真空室内部，且靠近等离子体以直接发射微波束。然而，这种方法的主要限制在于微波束的发射和接收角度无法进行调节。

4、第二种，长臂式可调反射镜法。此方法在中国全超导托卡马克核聚变实验装置(east)和美国diii-d装置中得到应用。在此配置中，反射镜被安装在一根穿过真空室的长臂末端。通过长臂内的连杆推动反射镜绕长臂上的固定转轴旋转，从而调节极向发射角度；同时，通过整体旋转长臂以倾斜反射镜，实现环向发射角度的调节。然而，此方法的缺点在于其结构复杂，且角度调节长臂需要穿越真空。

5、第三种，透镜式角度调节法。以英国兆安球形托卡马克升级装置(mast-u)为例，在此配置下，装置窗口处放置一微波凸透镜，通过移动透镜位置，使入射微波偏离透镜中心，进而通过折射效应改变真空室内微波束的发射角度。此布置方式的缺点在于角度调节范围较小。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于磁约束聚变装置的微波准光学系统及微波对准方法，解决了现有技术中存在的问题，能够实现调节微波束的发射和接收角度。相较于现有技术，本方法具有结构紧凑、角度调节范围大、容易维护、灵活度高、成本低等优点。同时，本方法具有现有技术方法没有的特性，即能够根据磁约束聚变装置放电条件，自动计算匹配极向发射角度的最优环向角度，并实时调节。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一方面，本发明提供一种用于磁约束聚变装置的微波准光学系统，包括：信号控制组件、极向调节组件、环向调节组件、调节控制组件以及信号作用组件；

4、所述信号控制组件用于接收微波源输出的微波信号，并将所述微波信号发射至极向调节组件中；

5、所述极向调节组件用于接收信号控制组件所传输的微波信号，并接收来自调节控制组件的控制，以实现极向角度调节，根据调节之后的极向角度，将所述微波信号进行一次反射，从而改变微波信号到环向调节组件的极向角度；

6、所述环向调节组件用于接收来自极向调节组件调节极向角度之后的微波信号，并接收来自调节控制组件的控制，以实现环向角度调节，根据调节之后的环向角度，将接收的微波信号进行二次反射，从而改变微波信号到信号作用组件的环向角度；

7、所述调节控制组件用于控制极向调节组件进行极向角度调节以及控制环向调节组件进行环向角度控制；

8、所述信号作用组件用于接收经过极向调节组件以及调节控制组件调节过角度的微波信号，其为磁约束聚变装置中微波信号作用的载体；

9、其中，极向角度与环向角度相互垂直。

10、在一种可能的实施方式中，所述信号控制组件设置为微波天线，所述微波天线接收微波源输出的微波信号，并将所述微波信号以微波束的形式发射至极向调节组件中；

11、在一种可能的实施方式中，所述极向调节组件包括椭球反射镜、底座、极向角度调节器以及支架；

12、所述环向调节组件固定于支架的一端，所述椭球反射镜固定于支架的另一端，且支架的另一端与极向角度调节器固定，所述极向角度调节器旋转设置于底座上；

13、所述极向角度调节器接收来自调节控制组件的控制，带动环向调节组件绕水平轴进行极向角度调节，以实现极向角度调节；所述椭球反射镜将接收的微波信号进行一次反射，从而实现微波信号的聚焦反射。

14、在一种可能的实施方式中，所述环向调节组件包括平面反射镜以及环向角度调节器，所述平面反射镜设置于环向角度调节器的执行端上，所述环向角度调节器接收来自调节控制组件的控制，以实现环向调节，带动平面反射镜绕竖直轴进行环向角度调节；所述环向角度调节器将接收到的微波信号进行二次反射，从而改变微波信号到信号作用组件的环向角度。

15、在一种可能的实施方式中，所述调节控制组件设置为控制器。

16、在一种可能的实施方式中，所述信号作用组件设置为磁约束聚变装置中的等离子体；

17、所述信号作用组件接收调节过角度的微波信号，产生反射以及散射作用，产生反馈微波信息，且所述反馈微波信号原路返回至信号控制组件。

18、另一方面，本发明提供一种基于一方面所述的微波准光学系统的微波对准方法，包括：

19、获取最优角度与试验参数之间的映射表；

20、接收实验人员通过人机交互输入的目标试验参数，并以该目标试验参数为基础，在映射表中进行查找，获取目标试验参数所对应的目标最优角度；所述目标最优角度包括极向调节组件对应的极向角度以及环向调节组件对应的环向角度；

21、根据目标最优角度，分别对极向调节组件以及环向调节组件进行调节，以实现微波信号到信号作用组件的入射角度调节，从而实现微波对准。

22、在一种可能的实施方式中，获取最优角度与试验参数之间的映射表，包括：

23、在磁约束聚变装置进行等离子体放电实验前，所述调节控制组件根据预设的磁场参数、等离子体电流以及密度参数，通过三维波迹模拟，获取不同极向角度与不同环向角度组合下对应频率的探测微波束的波迹、散射位置以及探测微波束在测量位置附近的波数；

24、将模拟时不同极向角度与不同环向角度的组合作为最优角度，将模拟得到的探测微波束的波迹、散射位置以及探测微波束在测量位置附近的波数作为最优角度对应的试验参数；

25、根据最优角度以及最优角度对应的试验参数，建立最优角度与试验参数之间的映射表。

26、在一种可能的实施方式中，根据目标最优角度，分别对极向调节组件以及环向调节组件进行调节，以实现微波信号到信号作用组件的入射角度调节之后，还包括：修正入射角度。

27、在一种可能的实施方式中，修正入射角度，包括：

28、在磁约束聚变装置进行等离子体放电实验中，所述调节控制组件实时接收磁场、等离子体电流和密度数据，并根据磁场、等离子体电流和密度数据，实时获取波迹参数；

29、获取目标最优角度所对应的波迹参数，并根据实时获取的波迹参数以及目标最优角度所对应的波迹参数，确定角度调节偏移量；

30、根据所述角度调节偏移量，分别对极向调节组件以及环向调节组件进行调节，以修正入射角度。

31、本发明提供的一种用于磁约束聚变装置的微波准光学系统及微波对准方法，设置有相互配合的极向调节组件、环向调节组件以及调节控制组件，可以实现极向调节与环向调节的配合，解决了现有技术中角度调节范围小、结构复杂以及缺乏实时性等问题；并且通过调节控制组件实现了自动匹配入射微波束的最优探测角度，减少人工手动调整和优化的工作量，提高了改变入射角度的效率；在磁约束聚变装置进行等离子体放电实验过程中，能实时接收和处理诊断数据，根据实时情况进行波迹计算和角度调节，增强了对实验条件变化的响应速度。