[发明专利]零中频多道微波多普勒测量系统

说明书

本发明属于一种磁约束受控核聚变等离子体微波诊断系统，具体涉及一种基于微波零中频解调技术的多频率点微波多普勒诊断系统。该系统包括微波频率源、定向耦合器、可调衰减器、多工器、发射和天线、功放、滤波器、解调器和视放等。其优点是，它采用微波源直接解调方法，不需要像外差系统那样将微波下变频至中频信号再解调，使多道微波多普勒测量系统结构得到简化，具有成本低、时间分辨高、维护简单，研制周期短等优点。该系统能够同时测量多个空间点的等离子体旋转速度和湍流谱，同时还能获得它们的空间相关性。系统的测量区域受微波源的工作频率决定，在适当范围内，通过调节微波源的输出频率，还可以改变测量区域。

技术领域

本发明属于一种磁约束受控核聚变等离子体微波诊断系统，具体涉及一种基于微波零中频解调技术的多频率点微波多普勒诊断系统。

背景技术

在磁约束受控核聚变实验研究中，等离子体湍流和旋转是等离子体约束与输运课题研究中的关键物理参量，这些参量与等离子体反常的径向粒子和热输运、动量输运，与实现高约束模式运行的聚变等离子体有密切的联系。根据磁约束聚变装置的特点，等离子体旋转和湍流在等离子体约束区的不同径向位置具有不同的分布特征，且这些特征的演化时间尺度非常小，达到毫秒量级，因此高时空分辨地测量一直以来是国际聚变届的重要研究热点和目标。

目前这一研究领域中对这两个参量的测量主要有微波多普勒反射、静电探针和电荷交换复合光谱等三种方法。其中静电探针的测量必须将探针伸入到等离子体，才能实现测量，但是伸入探针会改变局域等离子体特征，另外高温等离子体很容易烧毁探针，探针与等离子体相互作用产作的杂质影响等离子体运行，严重时威胁装置安全，这使得该诊断只能在较低温度的等离子体边缘区域测量，空间覆盖非常有限。电荷交换复合光谱测量诊断是一种依赖于高能中性粒子束的主动诊断，高能中性粒子束造价昂贵，该诊断对诊断束质量有较高要求，测量环境中的高能电子也将影响该诊断的光谱测量，并且诊断布置与中性束的几何安装有密切关系，才能实现极向旋转速度的测量；其次，该方法时间分辨较差，很难定量描述局域密度涨落水平，使得该诊断系统复杂，造价昂贵，系统稳定性受限。微波多普勒反射利用微波在等离子体中的湍流散射来测量特定波矢的旋转速度和湍流强度，其不会影响等离子体局域特性。通过改变微波频率和测量角，可以实现不同区域和不同波矢的测量，是一种不依赖于辅助加热条件的主动测量手段，适用于等离子体边缘到芯部所有区域的测量。为了测量旋转速度方向，微波系统需要对从等离子体散射回来的信号进行正交解调。而要实现分布测量，需要多频率的微波信号在等离子体中不同径向位置散射，以测量不同区域的多普勒信号。如果采用多套微波系统来同时测量会受到装置诊断窗口的限制，外差系统的多次变频使系统变得复杂，维护困难，系统的研制成本大幅升高。目前国际上通常采用一个宽带微波源来扫频和外差测量多普勒信号，但是这种步进扫频方法使测量的分布不是同一时刻的，一个扫频周期时间达到好几十毫秒，使时间分辨变得很差，给物理分析造成困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种零中频多道微波多普勒测量系统,该系统能够同时测量多个空间点的等离子体旋转速度和湍流谱，能获得它们的空间相关性，同时系统还具有成本低、时间分辨高、维护简单，研制周期短等优点。