[发明专利]基于时延法测量二维电子密度剖面的太赫兹微波干涉阵列

说明书

本发明属于磁约束受控核聚变等离子体诊断领域，涉及一种基于时延法测量二维电子密度剖面的太赫兹微波干涉阵列，是测量磁约束等离子体电子密度的重要技术方法。本发明主要包括晶体振荡器，六公分器，点频源，太赫兹倍频器，由二公分器、可编程微波开关、混频器、放大器、检波器和中央处理器组成的集成单元，微波波导，太赫兹相控阵天线和中央处理器。本发明的阵列可以通过在磁约束聚变装置中布置多个可灵活调节发射角度的太赫兹相控阵天线和可编程微波开关实现多个空间位置的分时测量，然后利用快速数值反演算法获取二维测量电子密度剖面，采用的时延方法特别合适用于未来大型磁约束聚变装置。

技术领域

本发明属于磁约束受控核聚变等离子体诊断领域，涉及一种基于时延法测量二维电子密度剖面的太赫兹微波干涉阵列，是未来大型磁约束聚变装置中测量等离子体电子密度的重要技术。

背景技术

磁约束核聚变被广泛认为是最有希望从根本上解决能源问题的可行途径之一。科学研究表明，当等离子体温度T、电子密度n_e和能约约束时间τ_E的三重积分满足阈值条件(不同种类等离子体反应具有不同阈值)时，聚变反应才能够输出能量并稳定自持下去。因此，电子密度n_e是聚变工程最为关注的三个基本参数之一。为了测量电子密度信息，磁约束核聚变领域发展了激光干涉仪、微波反射计和微波干涉仪。激光干涉仪是目前测量电子密度的主流诊断，但其系统结构过于庞大，通常需要占据非常大的空间，不利于在未来大型磁约束聚变装置使用。微波反射计基于微波在等离子体中传播时因折射效应导致相位变化的原理，优点在于能够实现高空间分辨率的径向测量；缺点在于数据处理极其复杂不利于实时反馈。微波干涉仪测量原理与激光干涉仪基本相同，具有对等离子体无扰、结构比较简单及研制成本低等优点，是测量大型磁约束聚变装置等离子体电子密度的主要潜在诊断。未来燃烧等离子体具有能量约束时间长、电子密度高并且处于稳态运行状态的特点，这要求微波干涉仪的工作频率足够大，同时也意味着测量电子密度的时间分辨率可以不是很高。但在大型装置中，不同空间可能会发生不同的物理事件从而导致局域电子密度出现不同的响应，这要求诊断能够提供不同空间的数据信息。为了满足未来燃烧等离子体的测量要求，发展一种基于时延法测量二维电子密度剖面的太赫兹微波干涉阵列具有重要意义。

发明内容

本发明针未来大型磁约束聚变中燃烧等离子体的特点提供一种基于时延方法测量电子密度剖面的微波干涉阵列的研制方案，其能够快速测量二维电子密度剖面从而揭示不同空间发生的物理事件。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于时延法测量二维电子密度剖面的太赫兹微波干涉阵列，包括晶体振荡器1、六公分器2、点频源3、太赫兹倍频器4、集成单元5、微波波导6、太赫兹相控阵天线7和中央处理器8，其中集成单元5包括第一二公分器51和第二二公分器54、第一可编程微波开关52i和第二可编程微波开关52ii、太赫兹混频器53、放大器55、检波器56和采集器57，第一二公分器51和第二二公分器54两个输出端口记为i和ii。

晶体振荡器1的输出端与六公分器2的输入端连接，六公分器2的输出端与点频源3的输入端连接，点频源3的输出端与太赫兹倍频器4的输入端连接，太赫兹倍频器4的输出端与第一二公分器51输入端连接、第一二公分器51输出端i与第一可编程微波开关52i输入端连接，第一可编程微波开关52i输出端与太赫兹混频器53本振端相连，太赫兹混频器53输出端与放大器55输入端相连，放大器55输出端与检波器56输入端相连，检波器56输出端与采集器57相连；太赫兹混频器53射频端与第二二公分器54的输出端i连接，第二二公分器54的输入端与微波波导6连接，微波波导6另外一端与太赫兹相控阵天线7连接，太赫兹相控阵天线7与中央处理器8连接；同时，中央处理器8与第一可编程微波开关52i和第二可编程微波开关52ii及采集器57相连；第一二公分器51输出端ii和第二二公分器54输出端ii通过第二可编程微波开关52ii直接连接。

所述的点频源3、太赫兹倍频器4、集成单元5、微波波导6和太赫兹相控阵天线7均由六个子单元构成，并依次与六公分器2的六个输出端连接。