[发明专利]一种测量4.6GHz低杂波平行磁场方向波数的系统

说明书

本发明公开了一种测量4.6GHz低杂波平行磁场方向波数的系统，以实现托卡马克等离子体中自由传播的高频微波的相位测量，进而分析获得低杂波平行磁场方向的波数。包括真空侧和大气侧两大部分。真空侧包括磁探针阵列、耐高温稳相同轴线和同轴Feedthrough。大气侧包括两级降频电路和高速数据采集模块。由固定距离的磁探针阵列耦合低杂波，经同轴Feedthrough传出，然后与两级差频电路混频后，将4.6GHz的高频微波降频至20MHz左右，送入采样率高达100MS/s的多通道同步采集模块，最后通过FFT数据处理便可获得每一道的相位信息。

技术领域

本发明属于微波技术领域，具体涉及一种托卡马克等离子体中低杂波相位测量的系统。

背景技术

低杂波电流驱动(LHCD)是托卡马克装置上重要的非感应电流驱动和加热手段。世界上大部分磁约束核聚变装置上都有低杂波系统，比如法国的Tore-Supra，美国的Alcator C-Mod以及我国的EAST托卡马克等。在低杂波物理实验中，低杂波的平行波数 k_//是决定低杂波在等离子体中传播、吸收以及电流驱动效率的一个关键物理量。在进入等离子体之前的初始k_//由低杂波天线相邻波导之间的相位差决定，可以通过电磁波-等离子体耦合软件计算得出，但当低杂波穿过等离子体刮削层时，会受到各种非线性效应的影响，有可能导致其平行波数的变化，从而影响低杂波的驱动效率和加热效果。为了分析低杂波与刮削层等离子体的吸收和传播，需要测量低杂波相位来分析获得平行波数 k_//信息。

在规则波导中传播的微波可以通过定向耦合器来获取相位信息，但微波在等离子体中是自由传播的，这样很难采用传统的定向耦合器来鉴别某一特定方向传播的波相位信息，这是托卡马克等离子体中低杂波相位测量的一个难点。

发明内容

本发明的目的是提供一种托卡马克等离子体中自由传播的4.6GHz高功率低杂波波数的测量系统，从而为低杂波电流驱动及加热物理实验分析提供关键的数据支持。

本发明提出一种测量4.6GHz低杂波平行磁场方向波数的系统，包括有磁探针阵列、稳相同轴线、真空同轴电极、两级降频电路和高速数据采集模块；等离子体中的低杂波信号由磁探针耦合，在真空室内由耐高温的二氧化硅稳相同轴线传送至真空法兰，经真空同轴电极传出托卡马克真空室，然后经普通同轴线传送至差频电路，与两级本振振荡差频，最后由多通道高速采集模块采集；

所述磁探针阵列中的磁探针结构为：磁探针线圈外面由具有矩形状缝隙的屏蔽桶盖住，所述缝隙开在屏蔽桶顶盖处，且线圈平面与矩形状缝隙严格垂直；所述两级差频电路将4.6GHz的微波降频至20MHz，且不改变其相位信息。

进一步的，本发明提供一种带有矩形状缝隙的磁探针来耦合特定方向传播的微波，此探针只对某一方向传播的微波敏感；同时提供了一种降频电路，将探针耦合的高频微波降至20MHz左右。此降频电路通过二级降频实现，其输出的微波信号的幅值和相位只依赖于输入的RF信号，与本振信号无关，因此该降频电路的输出可以准确反映被测量的RF信号的信息。最后由采样率大于2倍微波频率的高速采集系统来采集数据并还原波形。

所述的磁探针线圈由二氧化硅半刚性同轴线内导体绕制而成，并焊接在外导体上，线圈外面由不锈钢屏蔽桶盖住。所述的不锈钢屏蔽桶的底盖开有矩形状的缝隙，从而使得磁探针只能耦合平行长边方向的磁场扰动。等离子体中传播的低杂波是慢波，其磁场垂直于背景约束磁场，因此矩形裂缝长边垂直于磁场放置的磁探针对此扰动磁场敏感 (对其他方向的微波具有很好的屏蔽效果)，从而实现对低杂波微波特性的耦合。

所述的两级降频电路由4.9GHz和280MHz的本振构成。由磁探针阵列耦合出来的4.6GHz低杂波信号首先与第一级本振4.9GHz差频，其输出信号频率降为300MHz，该信号再与第二级本振280MHz差频，这样原始的4.6GHz射频信号便降频为20MHz。此降频电路的输出信号强度由4.6GHz射频信号决定，且不改变其相位信息。