高時(shí)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(shí)空分辨特性以及二維大尺度直接測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)的電子回旋輻射成像(ECEI)診斷的技術(shù)實(shí)現(xiàn)及其在國(guó)際上數(shù)個(gè)中型托卡馬克裝置上的應(yīng)用。工作重點(diǎn)是集成國(guó)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(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)該裝置內(nèi)電子溫度的大尺度、高精度和高時(shí)間分辨的實(shí)時(shí)二維測(cè)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(zhǔn)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(zhǔn)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(shí)大大降低了建造難度和成本，。上世紀(jì)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(jìn)一步將ECEI診斷拓展為實(shí)時(shí)二維測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間分辨率的同時(shí)降低了國(guó)際交流合作的門檻。本文重點(diǎn)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(lái)微波診斷技術(shù)的最新結(jié)果。具體從準(zhǔn)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(gè)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(shí)輸出的384路、最高400kHz帶寬的模擬電壓信號(hào)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)384道視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)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(guò)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(chǔ)的的采集卡實(shí)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(guò)多道高精度觸發(fā)和時(shí)鐘信號(hào)分路器解決了全部384通道的時(shí)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(shí)鐘信號(hào);另外高速傳輸內(nèi)網(wǎng)的搭建使得每次放電后至少高達(dá)7.6GB的總數(shù)據(jù)量?jī)H需半分鐘即可傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器。同時(shí)軟件方面通過(guò)對(duì)基本命令的腳本集成實(shí)現(xiàn)了多種采集模式的快速切換以及全自動(dòng)無(wú)人值守采集，其中多種遠(yuǎn)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(zhǎng)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(shí)序同步的384道數(shù)據(jù)。
　　為實(shí)現(xiàn)二維溫度測(cè)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(guó)際上其他ECEI系統(tǒng)的2倍以上，對(duì)應(yīng)托卡馬克小截面上超過(guò)兩倍的徑向覆蓋

6、范圍;另外其視頻帶寬可達(dá)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(cè)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(shí)驗(yàn)中，其中高帶寬帶來(lái)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(tái)。
　　本文最后重點(diǎn)討論在超導(dǎo)托卡馬克裝置的毫米波成像診斷中準(zhǔn)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(jì)了一套可調(diào)變焦

7、的毫米波準(zhǔn)光學(xué)成像子系統(tǒng)。光路設(shè)計(jì)中克服了真空窗口到等離子體區(qū)達(dá)2m以上的長(zhǎng)距離帶來(lái)一系列問(wèn)題，仍實(shí)現(xiàn)了垂直方向達(dá)1.1cm的最小空間分辨率;同時(shí)還集成了遠(yuǎn)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(dá)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(dá)80cm。經(jīng)過(guò)多次平臺(tái)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)后，該套成像光路已經(jīng)應(yīng)用于2012年的EAST裝置的物理實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)中光路可以分辨磁流體動(dòng)力學(xué)模式演化的空間精細(xì)結(jié)構(gòu)，且焦平面可跟隨