高時空分辨電子回旋輻射成像診斷技術(shù)的研究.pdf

1、本論文主要研究了具有高時空分辨特性以及二維大尺度直接測量優(yōu)勢的電子回旋輻射成像(ECEI)診斷的技術(shù)實現(xiàn)及其在國際上數(shù)個中型托卡馬克裝置上的應(yīng)用。工作重點是集成國際上最新的微波診斷技術(shù)成果，在東方超環(huán)(EAST)裝置上設(shè)計集成可調(diào)變焦前端耦合光路以及新型寬帶電子學(xué)系統(tǒng)的新一代384道ECEI診斷系統(tǒng)，并實現(xiàn)對該裝置內(nèi)電子溫度的大尺度、高精度和高時間分辨的實時二維測量。
　　射電天文學(xué)領(lǐng)域中已較為成熟的毫米波天線混頻陣列以及準光學(xué)技

2、術(shù)應(yīng)用于微波等離子體診斷后即成為ECEI診斷系統(tǒng)的雛形，其中準光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用在保證成像的靈活性以及毫米波波段的寬帶處理能力的同時大大降低了建造難度和成本，。上世紀末基于微帶和印刷電路技術(shù)以及二次下混頻思路的寬帶電子學(xué)系統(tǒng)的集成則進一步將ECEI診斷拓展為實時二維測量。標(biāo)準多通道高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用該系統(tǒng)其與MDSplus服務(wù)器的高速通信能力則在提升系統(tǒng)最大時間分辨率的同時降低了國際交流合作的門檻。本文重點討論EAST裝置上新一代3

3、84道ECEI系統(tǒng)的研制，該系統(tǒng)集成了近年來微波診斷技術(shù)的最新結(jié)果。具體從準光學(xué)耦合，寬帶電子學(xué)以及多通道高速同步數(shù)據(jù)采集這三個子系統(tǒng)的角度展開討論。
　　EAST裝置上的384道ECEI系統(tǒng)中電子學(xué)部分中預(yù)期將同時輸出的384路、最高400kHz帶寬的模擬電壓信號，為了實現(xiàn)對384道視頻信號的實時高速數(shù)據(jù)采集和處理，研制了一套384道高速數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。采集系統(tǒng)硬件方面首先通過12塊定制的具備高共模抑制比的高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊以及

4、大容量板載存儲的的采集卡實現(xiàn)了384通道的高速連續(xù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集，接著通過多道高精度觸發(fā)和時鐘信號分路器解決了全部384通道的時序同步難題，配套光隔后可直接接入EAST裝置的外觸發(fā)和時鐘信號;另外高速傳輸內(nèi)網(wǎng)的搭建使得每次放電后至少高達7.6GB的總數(shù)據(jù)量僅需半分鐘即可傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器。同時軟件方面通過對基本命令的腳本集成實現(xiàn)了多種采集模式的快速切換以及全自動無人值守采集，其中多種遠程監(jiān)控方式以及異常處理能力也充分保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定度和連續(xù)

5、工作能力。最后該套384道高速數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)成功用于EAST裝置上的384道ECEI系統(tǒng)中，滿足了EAST裝置上常規(guī)10s放電以及30s長脈沖放電的采集需求，并取得了多種放電參數(shù)下具有高采樣深度，高采樣率，且時序同步的384道數(shù)據(jù)。
　　為實現(xiàn)二維溫度測量中徑向的大尺度連續(xù)覆蓋，為EAST裝置上的384道ECEI系統(tǒng)開發(fā)了一套新型寬帶中頻電子學(xué)子系統(tǒng)，其帶寬是國際上其他ECEI系統(tǒng)的2倍以上，對應(yīng)托卡馬克小截面上超過兩倍的徑向覆蓋

6、范圍;另外其視頻帶寬可達400kHz，能夠分辨快離子引發(fā)的一些高頻模式。該套新型寬帶中頻電子學(xué)子系統(tǒng)已于2011年年底完成了測試，并作為EAST裝置上384道ECEI系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分成功應(yīng)用于2012年EAST裝置的物理實驗中，其中高帶寬帶來的徑向大范圍連續(xù)采樣能力為大尺度現(xiàn)象的研究提供了平臺。
　　本文最后重點討論在超導(dǎo)托卡馬克裝置的毫米波成像診斷中準光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用。具體為EAST裝置上的384道ECEI系統(tǒng)設(shè)計了一套可調(diào)變焦

7、的毫米波準光學(xué)成像子系統(tǒng)。光路設(shè)計中克服了真空窗口到等離子體區(qū)達2m以上的長距離帶來一系列問題，仍實現(xiàn)了垂直方向達1.1cm的最小空間分辨率;同時還集成了遠程可控的調(diào)變焦特性:光路在托卡馬克等離子體端的焦平面在具備達80cm的大尺度徑向調(diào)節(jié)能力，且變焦后垂直方向覆蓋能力最大達80cm。經(jīng)過多次平臺實驗的檢驗后，該套成像光路已經(jīng)應(yīng)用于2012年的EAST裝置的物理實驗中，實驗中光路可以分辨磁流體動力學(xué)模式演化的空間精細結(jié)構(gòu)，且焦平面可跟隨