利用多普勒反射儀測(cè)量EAST托卡馬克上的邊界相干模式.pdf

1、本論文以EAST全超導(dǎo)托卡馬克為依托，在其上搭建了微波多普勒反射儀。利用先進(jìn)的微波技術(shù)，對(duì)EAST托卡馬克中等離子體的徑向電場(chǎng)的分布和徑向電場(chǎng)的漲落進(jìn)行測(cè)量。主要工作包括:微波多普勒反射儀系統(tǒng)的搭建，臺(tái)面實(shí)驗(yàn)的測(cè)試，多普勒反射儀入射角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制，多普勒反射儀掃頻源的控制和使用，后端采集系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的搭建，過(guò)模波導(dǎo)色散的研究，多普勒頻移的計(jì)算，徑向電場(chǎng)平衡量和漲落量的提取。第一次在ESAT上用多普勒反射儀測(cè)量到了測(cè)地聲模和邊界相干模，

2、用相關(guān)分析的方法給出了它們的極向模數(shù)。由于EAST托卡馬克放電參數(shù)的提升，我們梅原來(lái)的Q-band系統(tǒng)升級(jí)為V-band系統(tǒng)。這樣，就構(gòu)成了極向長(zhǎng)距離分開(kāi)的兩套相關(guān)多普勒反射儀。
　　論文首先簡(jiǎn)要回顧了可控?zé)岷司圩兊陌l(fā)展和現(xiàn)狀。介紹了EAST全超導(dǎo)托卡馬克裝置，等離子體加熱方式，包括歐姆加熱和四種輔助加熱:電子回旋加熱（ECRF）、離子回旋加熱(ICRF)、低雜波加熱(LHRF)和中性束注入(NBI)。介紹了等離子體的三種約束模式

3、，高約束模、低約束模以及I-phase;介紹了托卡馬克中等離子體的徑向電場(chǎng)的分布及其漲落的測(cè)量。
　　本論文在EAST上搭建的多普勒反射儀系統(tǒng)由兩套構(gòu)成:Q頻段(33-50GHz)和V頻段（50-75GHz）。系統(tǒng)采用外差法測(cè)量技術(shù)來(lái)區(qū)別多普勒頻移的正負(fù)，同時(shí)也可以避免零頻附近的干擾，有利于提高系統(tǒng)的信噪比。為了可以調(diào)節(jié)入射波入射到等離子體的角度，設(shè)計(jì)了由一面固定位置的平面鏡和一面可以調(diào)節(jié)角度的橢球反射鏡組成的反射鏡組來(lái)控制入射波

4、入射到等離子體中的角度，角度可調(diào)范圍±20°（正負(fù)是傳播方向相對(duì)于水平面方向，向上為正，向下為負(fù)）。可測(cè)量的波數(shù)范圍為4-22cm-1。信號(hào)源是一個(gè)微波系統(tǒng)的心臟，一個(gè)良好低噪聲的信號(hào)源可以避免很多不必要噪聲的引入，為此我們選擇了Giga-tronics公司的GT2520B型號(hào)產(chǎn)品作為微波源。它可以實(shí)現(xiàn)單頻輸出也可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)式掃頻輸出，從而可以得到某個(gè)位置的徑向電場(chǎng)的漲落或徑向電場(chǎng)的分布。實(shí)驗(yàn)中為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離低損耗的傳輸，采用了過(guò)模波導(dǎo)

5、作為傳輸工具。為了解釋密度剖面反射計(jì)的中頻大小隨頻率的變化，為此研究了過(guò)模波導(dǎo)的色散，結(jié)果顯示中頻隨頻率的變化確實(shí)是由過(guò)模波導(dǎo)引入的。
　　本論文在2012年EAST托卡馬克春季物理實(shí)驗(yàn)中，多普勒反射儀第一次成功的安裝在EAST托卡馬克O窗口上，并獲得大量有效的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中第一次用多普勒反射儀給出了L-mode和H-mode放電條件下徑向電場(chǎng)的分布。通過(guò)改變?nèi)肷浣嵌鹊恼?fù)，可以得到方向相反的多普勒頻移。在放電密度下降段，測(cè)量到了測(cè)

6、地聲模，通過(guò)兩道多普勒反射儀的極向相關(guān)得到其極向模數(shù)為0，和理論預(yù)言m=0，n=0空間結(jié)構(gòu)一致。通過(guò)雙譜分析方法，得到測(cè)地聲模與背景湍流存在很強(qiáng)的三波相互作用，觀測(cè)到了邊界相干模式。目前，對(duì)多普勒反射儀信號(hào)的理解和處理還沒(méi)有形成定論。本論文發(fā)展了三種有效的數(shù)據(jù)處理方法;COG方法，相位偏導(dǎo)法和相位法，用來(lái)提取相干模。這三種方法同時(shí)可以提取得到測(cè)地聲模的信息，從而證明這三種方法都是可行的。進(jìn)一步用于其他模式的分析提取表明，相比于相位偏導(dǎo)法

7、，相位法更有利于提取低頻信息，如低頻帶狀流，相位偏導(dǎo)法更有利于提取高頻的信息，點(diǎn)數(shù)的選取是COG方法關(guān)鍵。
　　本論文的最后介紹了兩套V-band（50-75GHz）多普勒反射儀的搭建、測(cè)試，以及在EAST托卡馬克上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于EAST托卡馬克放電參數(shù)的提升，我們將原來(lái)的系統(tǒng)升級(jí)為兩套V-band相關(guān)反射儀。它們能夠覆蓋整個(gè)EAST低場(chǎng)側(cè)等離子體，發(fā)射和接收使用同一個(gè)天線。增加了一次混頻后的中頻放大器，有利于減小零頻噪聲對(duì)信號(hào)